Aktuální vydání

celé číslo

02

2024

Amper 2024

celé číslo

Terminál energetického objektu

Automa 10/2001

Jindřich Kysela, Milan Findura, Jan Čelechovský,
ORGREZ SC, a. s., Brno

Terminál energetického objektu

Úvod
V praxi se vyskytuje mnoho distribuovaných soustav, ve kterých pracuje větší množství výroben a větší množství spotřebičů, mezi nimiž je nutné v reálném čase zajistit bilanční rovnováhu tak, aby okamžitá výroba odpovídala okamžité spotřebě. Pro to, aby bylo možné dosáhnout souladu mezi spotřebou a výrobou, je v těchto soustavách zpravidla nutné, aby vzniklo řídicí centrum a byly realizovány další prostředky zajišťující řízení výroben. Takové soustavy se vyskytují v oblasti energetiky, plynárenství, zásobování teplem i jinde. Typickým příkladem je elektrizační soustava ČR, kde je obrovské množství spotřebičů i řada výrobců. Jedním z opatření pro dosažení bilanční rovnováhy je řízení rozhodujících výrobců, tj. velkých elektráren, z jednoho centra – dispečinku ČEPS.

Obr. 1.

Článek se bude věnovat jednomu z technických prvků provozu výrobny zapojené do soustavy s požadavky zajistit bilanční rovnováhu řízením z centra: terminálu výrobního objektu. Pro konkrétnost budou obecné požadavky na terminál demonstrovány na terminálu energetického objektu, který poslouží jako příklad realizace v podmínkách elektrizační soustavy ČR. Budou uvedeny funkce, které do terminálu energetického objektu firma ORGREZ SC implementovala v podstatné většině řízených výroben, a bude popsáno softwarové a hardwarové řešení, které při tom bylo použito.

Terminál výrobního objektu
Terminál výrobního objektu je prostředkem, jak uskutečnit vazbu mezi řídicím centrem a řízenou výrobnou, která je nutná pro dálkové řízení technologie v souladu s požadavky řídicího centra soustavy a možnostmi výrobny (regulační rozsah jako minimální a maximální výroba, při níž může výrobna v řízení z nadřazeného centra pracovat, maximální rychlost zatěžování jako maximální rychlost změn požadavku z řídicího centra). Výstupem z terminálu výrobního objektu je žádaná hodnota výroby, která vstupuje do řídicích systémů výrobních zařízení, jež zajišťují její splnění. Zařazení terminálu výrobního objektu mezi ostatní řídicí prostředky je patrné ze schématu na obr. 1.

Kromě jednoduchého uspořádání uvedeného ve schématu jsou obecně možné i složitější konfigurace s více řídicími centry, která mají své přesně vymezené kompetence, aby nevznikaly konflikty mezi jejich zásahy. Ve výrobnách potom může být uplatněn požadavek na současnou spolupráci terminálu výrobního objektu s více řídicími centry s možností volit aktuální zdroj řízení za chodu terminálu výrobního objektu. V oblasti energetiky a kombinované výroby tepla a elektrické energie přicházejí jako alternativní řídicí centra v úvahu regionální distribuční společnosti (REAS) nebo dispečinky složitějších teplárenských soustav (CZT).

Charakteristickým znakem provozu v režimu řízení z řídicího centra je nutnost zabezpečit uskutečnění změn výkonu v reálném čase. Předpokladem je zavedení obousměrné vazby, která zajistí přenos dat a potřebné řídicí funkce v reálném čase. Tato vazba musí fungovat v podmínkách různorodého vybavení výroben (u výroben z oblasti energetiky různá uspořádání a typy turbogenerátorů a kotlů, různé typy lokálních řídicích systémů na jednotlivých turbogenerátorech a kotlích) se zachováním jednotného rozhraní vůči řídicímu centru. Požadavek jednotného rozhraní vychází z toho, že řídicí systém v řídicím centru komunikuje s větším počtem řízených výroben, a není proto technicky vhodné a v mnoha případech ani technicky reálné, aby se přizpůsoboval odlišnostem jednotlivých výroben. Prostřednictvím jednotného rozhraní zároveň musí být přístupné sumární informace o celé výrobně (např. sumární výroba nebo dodávka elektrické energie) a rovněž musí být možné řídit výrobnu jako celek, ne pouze jednu její část, jež je řízena jedním konkrétním řídicím systémem.

Vhodným řešením splňujícím všechny uvedené požadavky je terminál výrobního objektu, jako samostatné zařízení zastřešující různorodé technologie a řídicí systémy a vytvářející jednotné rozhraní vůči nadřazenému dispečinku. Plní množství různých funkcí, které budou popsány v dalším textu a vysvětleny na příkladu terminálu energetického objektu.

Funkce terminálu energetického objektu
Funkce terminálu energetického objektu (v dalším textu pro jednoznačnost a stručnost označeného pouze terminál) a jeho vazby na ostatní spolupracující systémy jsou patrné ze schématu na obr. 2.

Obr. 2.

Hlavní funkcí pro zajištění jednotného rozhraní vůči řídicímu centru je obousměrná datová komunikace s řídicím systémem centra. Vzhledem ke vzdálenostem mezi řízenou výrobnou a řídicím centrem a požadavky na definovanou dobu přenosu se používají sériové komunikační protokoly. Typickým příkladem takového protokolu je protokol podle normy IEC 870.5.101. Při běžném objemu dat, což jsou řádově desítky analogových a desítky digitálních signálů, a při běžné frekvenci jejich změn, dané rychlostmi změn v parametrech zařízení výrobny (maximální frekvence změny a tím i požadavku na přenos jedné veličiny je v řádu jednotek sekund), zajišťuje terminál vybavený komunikací tímto protokolem spolehlivý přenos všech potřebných dat při přenosové rychlosti 1 200 nebo 2 400 Bd. Pro fyzickou realizaci komunikačních tras se běžně využívají datové sítě REAS, tvořené optickými vlákny v kombinovaných zemních lanech vedení distribuční soustavy REAS, a datové sítě firmy CEZtel, používající stejný způsob v rámci vedení přenosové soustavy ve vlastnictví ČEPS. Možné je rovněž využít sítě dalších poskytovatelů veřejných datových služeb. Pro zvýšení spolehlivosti se využívá zdvojení tras.

Pro sběr dat o aktuálním provozním stavu řízené výrobny a pro předávání požadovaných výkonů jednotlivých částí výrobny je určena komunikace s lokálními řídicími systémy na jednotlivých turbogenerátorech, kotlích, popř. jiných částech technologie výrobny. Tato funkce může být zajištěna dvojím způsobem: datovou komunikační sběrnicí nebo přímou signálovou vazbou mezi vstupně-výstupními stranami terminálu a řídicího systému. Vzhledem k požadovanému množství přenášených signálů je vhodné způsob realizace vazby zvolit pro každý řídicí systém samostatně.

Obecně ve většině případů platí, že komunikační datová sběrnice vyžaduje vyšší náklady při realizaci (větší úpravy hardwaru i softwaru řídicího systému, potenciálně větší náklady na software, popř. hardware terminálu), ale dovoluje přenášet větší množství dat a především umožňuje velmi snadno rozšiřovat množinu přenášených dat v době provozu terminálu. Při zajištění této funkce jsou kladeny vysoké nároky na flexibilitu terminálu, který musí být schopen komunikovat jak standardizovanými průmyslovými protokoly, jako je např. Modbus, tak firemními protokoly jednotlivých výrobců řídicích systémů. Lze říci, že volná programovatelnost datových komunikací je nezbytnou podmínkou realizace této funkce bez ohledu na konfiguraci řídicích prostředků konkrétní výrobny.

Přímá signálová vazba je vhodnější tam, kde se přenáší menší množství dat a nepředpokládá se další rozšiřování jejich objemu. Nutností je u systémů, které datovou komunikaci neumožňují.

Rozhraní pro obsluhu slouží pro řízení provozu ve spolupráci s řídicím centrem. Obsluhou se rozumí partner dispečera nadřazeného dispečinku, tj. osoba, která je odpovědná za provoz výrobny při režimu řízení z nadřazeného dispečinku. Rozhraní pro obsluhu může být realizováno přímo, vlastní konzolou terminálu, nebo nepřímo, v rámci lokálního řídicího systému. Mezi terminálem a tímto řídicím systémem se přenášejí všechna data, která jsou pro obsluhu nezbytná. Při návrhu zobrazení pro obsluhu terminálu je nutné v maximální možné míře dodržet požadavek na sjednocení jejich vzhledu s odpovídajícími zobrazeními v systému řídicího centra, včetně použití stejného značení veličin. Jedině tak je možná rychlá, pohodlná a jednoznačná komunikace mezi provozním personálem nadřazeného dispečinku a řízené výrobny.

Z pohledu vlastního řízení výkonu výrobny jsou rozhodující funkcí řídicí algoritmy pro provoz v režimu dálkového řízení. Jde o vyhodnocování aktuálního stavu zapojení řídicího centra do řízení v závislosti na provozních podmínkách výrobny, zásazích obsluhy terminálu a požadavcích z řídicího centra. Podle aktuálního stavu se pro výrobní jednotky – turbogenerátory, popř. kotle – generují žádané hodnoty jejich výkonu.

Generování žádaných hodnot výkonu podle souhrnného požadavku na celou výrobnu může být u výroben s větším počtem turbogenerátorů dosti komplikované – jde o technicko-ekonomickou optimalizaci. Optimalizační kritéria zajišťují maximální ekonomický efekt z provozu v režimu dálkového řízení. Může jít o minimalizaci vlastních nákladů (provoz kotlů a turbogenerátorů s minimálními provozními náklady) nebo o takový provoz, kdy je zajištěn maximální příjem z provozu v dálkovém řízení (např. maximalizace regulačního rozsahu nebo rychlosti zatěžování v dálkovém řízení), popř. o kombinaci obou řešení. Algoritmus rozdělování zatížení je další z funkcí terminálu, které jsou velmi těsně svázány s podmínkami konkrétní výrobny, a kladou tak velké požadavky na flexibilitu terminálu.

Na provoz v dálkovém řízení navazuje sledování provozních parametrů pro potřeby měření, vyhodnocení a bilance dodávek energie a služeb. Terminál poskytuje bilanční výpočty veličin popisujících požadavky řídicího centra na výrobnu a veličin charakterizujících skutečný stav výroby. Výsledky jsou podkladem pro stanovení množství poskytnutých služeb a posouzení jejich kvality (shoda požadavků se skutečným stavem). Bilance jsou přístupné jednak v tištěné podobě přímo v terminálu, jednak jsou přenášeny do administrativní sítě výrobny, kde jsou k dispozici příslušným útvarům (provozní ekonomika, příprava provozu) k dalšímu zpracování. Pro sběr údajů o vyrobené, dodané nebo spotřebované elektrické práci se využívají výstupy z impulsních elektroměrů.

Pro zpřístupnění dat v administrativní síti výrobny je určena funkce komunikace terminálu s touto sítí. Za prvé informuje uživatele sítě o bilanci poskytování služeb a za druhé umožňuje přenášet v podstatě kteroukoliv veličinu z databáze terminálu. Dalším možným využitím je provázání optimálního rozdělování zatížení v terminálu s útvary výrobny (např. provozně-ekonomickým), které stanovují požadavky na optimalizaci. Terminál poskytuje on-line provozně-ekonomickému útvaru data o aktuálním provozu. Ve zpětném směru je možný přenos parametrů pro optimalizační algoritmy pracující v terminálu.

Řešení terminálu
Implementace terminálu tak, jak ji firma OGREZ SC provedla ve všech tepelných elektrárnách ČEZ a ve většině výroben nezávislých výrobců, které jsou v současné době zapojeny na dálkové řízení z ČEPS, vychází ze softwarové platformy systému OSCART a hardwarové platformy průmyslového PC.

Terminál na bázi OSCART má tyto rozhodující softwarové komponenty:

  • Windows NT/2000 jako operační systém,
  • vlastní OSCART pro zajištění funkcí pro práci v reálném čase,
  • vizualizační systém Promotic vytvářející uživatelské rozhraní terminálu.

Systém OSCART byl vyvinut ve firmě OGREZ SC jako obecný systém pro práci v reálném čase s důrazem na splnění všech uvedených funkčních požadavků na terminál. Základní idea systému OSCART vychází z principů modularity, otevřenosti a kompatibility.

Centrální část OSCART – jádro – zajišťuje správu báze dat a parametrů celé aplikace a základní funkce nutné pro práci funkčních modulů (spuštění a zastavení jejich běhu, předání dat z parametrizačního souboru) a jejich vzájemnou komunikaci (předávání dat prostřednictvím databáze okamžitých hodnot, synchronizace). Realizuje také vazbu na Promotic (přenos dat z databáze okamžitých hodnot).

Jednotlivé funkční moduly – stavební kameny aplikace – zajišťují vlastní funkce aplikace: komunikační funkce (komunikace protokoly pro přenos dat se vzdálenými i místními systémy, s LAN výrobny), funkce obsluhy hardwaru pro sběr dat (např. karty s A/D převodníky pro připojení analogových signálů) nebo výpočetní funkce (řízení, rozdělování zatížení, optimalizace, vyhodnocování pro bilance).

Komunikační moduly a moduly pro sběr dat z technologických signálů na jedné straně navazují na ovládače hardwaru ve Windows NT (např. sériová linka, síťová karta, hardware pro připojení technologických signálů), na druhé straně na jádro OSCART, s nímž si předávají data na úrovni databáze okamžitých hodnot jádra OSCART.

Výpočetní moduly počítají s daty z databáze okamžitých hodnot. Nekomunikují s okolím, pouze čtou vstupní hodnoty z databáze a zapisují do ní výsledky. Mohou být vyvolávány periodicky nebo mohou reagovat na změny v databázi.

Hlavním přínosem modulárního řešení je možnost vytvořit aplikace skutečně „na míru“ konkrétní výrobně, počtu řízených a sledovaných technologických celků a požadavkům na implementaci řídicích funkcí. Minimální konfiguraci terminálu může tvořit jediné PC s komunikační kartou pro připojení lokálních a vzdálených systémů, které realizuje všechny funkce, včetně rozhraní pro obsluhu. Tato konfigurace je vhodná pro menší výrobny. Pro větší výrobny se složitější konfigurací technologických částí a jejich řídicích systémů lze použít rozsáhlejší konfiguraci s množstvím komunikačních a signálových vazeb a se samostatným PC jako konzolou terminálu na pracovišti operátora. Počet modulů připojitelných k jádru OSCART je omezen pouze kapacitou hardwaru použitého PC.

Modulární řešení také zajišťuje potřebnou flexibilitu. Každá komunikační nebo řídicí funkce je implementována samostatným modulem. Je-li nutné funkci změnit nebo pro konkrétní aplikaci nově implementovat (např. komunikace novým komunikačním protokolem), pouze se změní jeden modul, a ostatní části zůstávají původní.

Jako operační systém poskytující základnu pro běh softwarového vybavení na bázi systému OSCART jsou využity MS Windows NT/2000. Z jejich vlastností se využívá především plně grafické uživatelské rozhraní a podpora síťových protokolů včetně přístupu telefonním modemem, který se v terminálu používá pro vzdálený servis a diagnostiku. Nespornou výhodou je i uživatelská přístupnost platformy PC a Windows, která neklade tak vysoké nároky na specializované školení běžné obsluhy i správců zařízení jako jiné systémy postavené na méně obvyklých a méně rozšířených platformách.

Promotic je objektově orientovaný systém SCADA pro Windows 95/NT/2000, jejž vyvinula firma Microsys Ostrava. Nabízí veškeré funkce pro implementaci uživatelského rozhraní v potřebném rozsahu a na úrovni současného standardu: grafickou prezentaci dat s možností uspořádat je do podoby technologických schémat, snadnou obsluhu s ochranou před neoprávněným zásahem do řízení, řešenou systémem uživatelských jmen a hesel, nápovědou, systémem výstrah, provozním deníkem atd. Využívá se rovněž schopnost Promoticu vykonávat uživatelské funkce implementované jako programy v jazyce Visual Basic.

Hlavní výhodou hardwarové platformy PC, ve srovnání s platformou programovatelných automatů (PLC), která pro podobnou aplikaci rovněž přichází v úvahu, je možnost spustit volně programovatelný software s minimálními omezeními, plynoucími z vlastností hotového firemního softwaru – operačního systému, resp. firmwaru PLC. Průmyslová PC jsou navíc při srovnatelné funkční kapacitě cenově výhodnější a přitom splňují požadavek dobré provozní spolehlivosti při nepřetržitém provozu v podmínkách technologie energetické výrobny.

Jsou-li uplatňovány náročnější požadavky na systém měření elektrické práce (měření z většího počtu elektroměrů, vysoké požadavky na spolehlivost měření), je možné pro sběr dat z impulsních elektroměrů použít tzv. kodéry, což jsou samostatné jednotky s vlastní inteligencí (procesorem), schopné autonomního chodu. Data pro další zpracování se do terminálu přenášejí komunikační sběrnicí.

Výhody použití terminálu
Terminál jako samostatné zařízení umístěné mezi ostatní objekty soustavy podle obr. 1 představuje systémové řešení z pohledu hierarchie řízení. Jeho použití ve všech řízených výrobnách podléhajících témuž řídicímu centru přináší výhody opakované aplikace, tedy minimalizaci nákladů na vývoj a minimalizaci rizika neočekávaných technických problémů při aplikaci. Další výhodou je úspora provozních nákladů jednotným zajišťováním servisu (sklad náhradních dílů nemusí vést každá výrobna zvlášť, ale může být zajišťován centrálně dodavatelem terminálů) a jednotnou realizací úprav, které jsou vynucené změnami na straně nadřízeného dispečinku (software pro uskutečnění změny se vyvíjí, odlaďuje a ověřuje jen jednou a do ostatních terminálů se změněné části pouze rutinně přenesou).

Při realizaci terminálu ve výrobně firma ORGREZ SC rovněž může čerpat ze svých bohatých zkušeností z množství aplikací v energetických výrobnách spalujících fosilní paliva (čistě elektrárenského charakteru i výroben s kombinovanou dodávkou tepelné a elektrické energie), ve vodních i jaderných výrobnách energie řízených z dispečinku ČEPS a z dalších aplikací, kde byl terminál použit v jednodušší podobě bez řídicích funkcí jako telemetrické zařízení. První terminály na bázi průmyslového PC, tehdy ještě s předchůdcem softwarového systému OSCART, byly použity před deseti lety a od té doby pracují v nepřetržitém provozu. ORGREZ SC u nich zajišťuje jak havarijní servis, tak splnění požadavků na změny funkcí, které plynou z požadavků provozovatele i ze změn v oblasti energetiky jako celku. Největší z nich souvisela s budováním nového řídicího systému na dispečinku ČEPS v letech 1998 až 2000, kdy byl také starší softwarový systém terminálů nahrazen systémem OSCART. Vzhledem k nutnosti zajistit kontinuální proces řízení soustavy z pohledu ČEPS přitom nebylo možné terminály prostě vypnout, přepojit k novému řídicímu systému a znovu oživit, ale bylo nutné po přechodnou dobu zajistit spolupráci se starým i novým řídicím systémem ČEPS s možností přepínat řízení za běžného chodu terminálu.

Závěr
V tomto článku byl popsán terminál jako jeden z technických prostředků provozu výrobny v řízení z dispečinku nadřazené soustavy. Samotné vybavení výrobny terminálem však v žádném případě není možné chápat jako jedinou nutnou podmínku k provozování výrobny v takovémto režimu. Obecně lze říci, že společným jmenovatelem provozu v režimu řízení z řídicího centra je pro všechny výrobny nutnost realizovat změny výkonu v reálném čase. Pro splnění požadavku takových změn musí být především uskutečněna opatření na straně výrobního zařízení. V podmínkách elektrárenských a teplárenských výroben jde na úrovni kotlů, jako primárních zdrojů energie, o jejich stabilní činnost při změnách zatížení (bilance palivo-vzduch), na úrovni výrobny vybavené více kotli zapojenými do společné parní sběrny o stabilní provoz z pohledu bilance v parní sběrně (rovnováha mezi dodávkou páry z kotlů a odběrem páry do turbogenerátorů a redukčních stanic při zajištění vhodné součinnosti kotlů tak, aby nedocházelo k jejich kývání). Implementace terminálů a řešení všech dalších souvisejících problémů je sférou působení firmy ORGREZ SC, která má v oblasti přípravy energetických výroben na provoz v režimu poskytování služeb bohaté zkušenosti jak z čistě elektrárenských provozů ČEZ, tak z provozů s kombinovanou výrobou ve vlastnictví velkých nezávislých výrobců.