�3AUTOMA 12/2008

projekty a praxe

Alstom zavádí Ethernet Powerlink při řízení elektráren

Alstom a EMB

Alstom je vedoucí světová společnost v dodávkách zařízení a služeb pro výrobu energie a železniční dopravu. Co se týče vý-roby energie, je Alstom lídrem v oboru inte-grovaných elektráren a systémů řízení kvali-ty vzduchu. Na celosvětové výrobě energie se společnost podílí 27 % a využívá všechny zdroje energie (plyn, uhlí, jádro i obnovitel-né zdroje). Společnost Alstom Power tvoří pět divizí: divize pro elektrárny, turbosoustrojí, energetické systémy, systémy pro životní pro-středí, hydroelektrárny. Zcela nová je divize pro řízení v energetice (Energy Management Business, EMB). Řízení v energetice zvyšu-je efektivitu celé energetické infrastruktury, od dodávky paliva až po výrobu a spotřebu elektřiny. Divize EMB doplňuje šíři aktivit společnosti Alstom a je činná v souladu s je-jí strategií výroby čisté energie i se strategií integrovaného řízení, Plant IntegratorTM. Po-zice společnosti Alstom v oboru výroby čis-té energie bude v současnosti ještě posilovat vzhledem k tomu, že jsou do konvenčních elektráren zaváděny nové postupy sledování a řízení kvality vzduchu v reálném čase a sta-ví se také nové, čisté uhelné elektrárny, které lze vybavit systémy zachytávání a ukládání uhlíku. S rozvojem obchodování s emisními povolenkami bude řízení elektráren vyžado-vat pružnou integraci s registry skleníkových plynů a s trhy s emisními povolenkami.

Řízení v energetice se zaměřuje na tyto čtyři klíčové technické oblasti:– decentralizované řídicí systémy elektráren,

řízení a vybavení strojů,– řízení elektráren včetně optimalizace elek-

tráren i dispečinků, sledování stavu pro-středků a simulace,

– navrhování připojení k rozvodné síti a pod-řízených stanic včetně izolovaných sfázo-vaných přípojnicových rozvodů,

– výkonová elektronika včetně buzení, auto-matické regulace napětí a reaktivní řízení.Divize EMB nabízí převratná řešení pro

použití v řízení energetiky, která vedou k op-timální energetické účinnosti v celém hod-notovém řetězci energetiky, např. v těchto oblastech:– zvýšení účinnosti elektráren prostřednic-

tvím efektivního řešení automatizace a ří-zení a také s využitím nových sad aplikač-ního softwaru pro správu elektráren, kte-ré zahrnují plánování, správu prostředků elektrárny i simulaci v reálném čase,

– dostupnost elektrárny, vedoucí k lepší pro-vozní flexibilitě, tedy schopnosti dodávat do sítě v pravý čas správné množství ener-gie, což znamená i několikrát denně zvýšit a snížit výkon,

– kvalita, umožňující dodávat požadovanou kvalitu energie, ať již s ohledem na frekvenci sítě (aktivní) nebo řízení napětí (reaktivní).

V rámci programu EMB vyvinula společ-nost Alstom úplnou řadu výrobků pro řídicí systémy nazvanou ALSPA. Decentralizovaný řídicí systém Alstom ALSPA Controplant je určen pro obor výroby energie.

ALSPA

Systém ALSPA s flexibilní a otevřenou distribuovanou architekturou je založen na specifických hardwarových komponentách a standardních komunikačních sítích. Výrob-ky ALSPA podporují základní funkce provo-zu elektráren tím, že poskytují vícenásobné zabezpečení a funkce pro zajištění dostupnos-

ti. Mezi ně patří autodiagnostika, redundance řídicích jednotek i komunikačních linek, syn-chronizace a označování časovým razítkem až po 1 ms, odolnost proti chybám a pokračová-ní samostatného provozu při poruše či odpo-jení dispečinku. Výrobky ALSPA lze používat pro distribuované řídicí systémy (tepelných, vodních, jaderných i jiných elektráren) a pro řízení strojů. Pro řízení strojů nabízí systém ALSPA tyto řídicí prvky:– řídicí jednotka ALSPA,– systém řízení a ochrany kotlů a systém ří-

zení spalování Controflame,– řídicí jednotka Controsteam pro parní tur-

bíny,– řídicí jednotka Controgas pro plynové tur-

bíny,– řídicí jednotka Controgen pro generátory,

automatický regulátor napětí a automatic-ký regulátor napětí s buzením určený k re-gulaci buzení střídavého generátoru.

Obr. 1. Kombinovaná elektrárna – příklad architektury

podniková síť operátorské stanice

hlavní servery RT

videoprojekční stěna

zprávy EMS, PPS, IMS

sledování stavu

webové tenké klienty

historizační servery

a servery IMSinženýrská pracovní stanice

firewall

WAN

síť zařízení

automatizační buňkamultifunkční řídicí jednotky ALSPA

provozní sítě

bilance elektrárny (BOP) a elektrická regulace

řídicí jednotka generátorů (HRSG&WSC)

řídicí jednotka plynové turbíny

řídicí jednotka parní turbíny

moduly I/O

řízení v otevřené smyčce

řízení v uzavřené smyčce

ochrany

řízení v otevřené smyčce

řízení v uzavřené smyčce

ochrany

Řídicí systém Alstom ALSPA Controplant je navržen pro energetiku, která vyžaduje sys-témy s nejvyšší spolehlivostí a dostupností. Společnost Alstom se rozhodla pro novou, vysoce distribuovanou strukturu řídicího systému, a to znamená, že se ústřední částí systému stává síť. Vedle sběrnice Modbus TCP si pro komunikaci v této síti společnost Alstom vybrala také Ethernet Powerlink. Před úplným přechodem na Ethernet Power-link bylo nutné integrovat některé nové vlastnosti. Z nich nejdůležitější je redundance, kterou Alstom zavádí jako standard. Díky ní je možné v deterministické síti dosáhnout úrovně spolehlivosti potřebné pro řízení a regulaci procesů elektrárny.Sítě pro řízení podniku i sítě zařízení využívají Ethernet již mnoho let. Pokud jako prů-myslová komunikační sběrnice bude používán Ethernet Powerlink, bude celá architektu-ra sítě založena na osvědčených a standardizovaných ethernetových řešeních. Síť vybu-dovaná výhradně na Ethernetu má četné výhody, mezi něž patří standardizace síťových zařízení a protokolů, snížení nákladů, zjednodušená údržba, vysoký výkon a zmenšení rizik při zastarávání (samostatných) nezávislých řešení.

�� AUTOMA 12/2008

projekty a praxe

Řídicí systém je postaven na bázi těchto tří hlavních součástí:– dispečink HMI s příslušným hardwarem

a softwarem,– inženýrský nástroj pro konzistentní projek-

tování celé elektrárny včetně distribuova-ného řídicího systému, řízení strojů a simu-látoru, to vše s jediným vstupním bodem a jedinečnou databází,

– automatizační buňky zajišťující řízení a ochranu, zapojené do procesu; tyto mul-tifunkční řídicí jednotky a provozní řídi-cí jednotky poskytují mnoho výhod: např. menší množství kabelů, odolnost proti vý-padkům a snadné rozšiřování systému.Všechny uvedené prvky jsou zapojeny do

rychlé ethernetové sítě (obr. 1).

Úrovně sítí v systému ALSPA

Podniková síť většinou bývá umístěna v dispečinku a není příliš omezována poža-davky průmyslu. Převážně bývá založena na spínané síti Fast Ethernet.

Síť zařízení propojuje tři úrovně decentra-lizovaného systému řízení. Vychází z osvěd-čených řešení průmyslového Ethernetu. kru-hová topologie odolná proti výpadkům za-jišťuje vysokou dostupnost. Determinismus zde není, protože tu je standardní Ethernet který využívá protokol IP (TCP/IP a UDP/ /IP). Síť zařízení pracuje s rychlostí 100 Mb/s nebo 1 Gb/s a je postavena na optických vlák-nech nebo měděných vodičích.

Provozní sítě jsou umístěny na provozní úrovni a jsou na ně kladeny velké požadavky. Zařízení připojená k provozním sítím zpravidla nevyžadují velkou dostupnost, proto musí být redundantní a musí být připojena prostřednic-tvím sítě s velkou dostupností (obr. 2).

Vývoj provozních sítí směrem k Ethernetu

Nové projekty pro trh s energiemi vyžadu-jí vyšší výkony i u provozních sítí. Z nutnosti splnit tyto nové požadavky vyplynula potře-ba nového řešení, jež bude založeno na vy-sokorychlostním Ethernetu. Z nabídky řešení průmyslového Ethernetu si musela společnost Alstom vybrat dvě varianty, jednu bez jakých-koliv požadavků na deterministické chování a druhou s vysokými požadavky na determi-nistický chod v reálném čase.

Po intenzivním hledání řešení pro nedeter-ministickou provozní síť se společnost Alstom rozhodla pro protokol Modbus TCP, který byl vybrán pro jeho širokou otevřenost vzhledem k zařízením jiných výrobců.

Naproti tomu provozní sítě s determinis-tickým chováním v reálném čase umožňují zavést distribuované vstupy a výstupy. Proto je přínosem sítí Ethernet pracujících v reál-ném čase zjednodušená architektura, koncen-trace regulačních procesů v jednotlivých řídi-cích jednotkách a nižší náklady na instalaci, údržbu a projektování. Díky využívání deter-ministických sítí pracujících v reálném čase

je možné prostřednictvím vlastní sítě také provádět synchronizaci a označovat data ča-sovým razítkem. Synchronizační údaje a sig-nály již není třeba řídicím jednotkám posílat po samostatném externím vodiči.

– řídicí systém elektrárny těžící z osvědče-ného řešení postaveného na odolném pro-tokolu,

– vysoce deterministický výkon a práce sítě v reálném čase,

– rychlost 100 Mb/s,– možnost rychlých cyklů v rozsahu mili-

sekund pro deterministickou výměnu dat.Hlavním kritériem byla dlouhodobá do-

stupnost a životnost zvoleného řešení, protože elektrárny jsou v provozu po desetiletí. Nej-bezpečnější cestou k dosažení tohoto cíle byla volba standardního řešení pracujícího se stan-dardním hardwarem. Rovněž nebylo vhodné zvolit řešení, které by vedlo k závislosti na jediném dodavateli nebo na technice, která by během první dekády zastarala.

Po dlouhém rozhodování, simulaci a vy-tváření prototypů byl pro provozní determi-nistickou síť řídicího systému vybrán protokol Ethernet Powerlink.

Nová architektura

Díky implementaci systému Ethernet Po-werlink do provozní sítě je celková archi-tektura sítě systému založena výhradně na osvědčených a standardních ethernetových řešeních (obr. 3). Tato jedinečná, zcela ether-netová struktura sítě má několik výhod. Pře-devším umožňuje uživatelům standardizovat zařízení a protokoly sítě (TCP&UDP/IP). Dále, ačkoliv je sama síť někdy dražší pro vynaložené náklady na aktivní zařízení sítě (přepínače a rozbočovače), celkové nákla-dy jsou nižší díky decentralizované architek-tuře, standardním zařízením a protokolům, omezení kabeláže (pouze Ethernet, sběrni-cová topologie) a díky synchronizaci zaříze-ní v síti. Ryze ethernetová síť rovněž usnad-ňuje obsluhu a údržbu, a výkon je tím vyšší. Využívání standardních ethernetových řešení navíc umožní těžit z budoucího vývoje Ether-netu bez dalších nákladů na výzkum a vývoj, protože do výzkumu a vývoje investuje celá ethernetová komunita.

Ethernet Powerlink je čistě softwarové řešení založené na standardních součástkách pro Ethernet. Jeho velkou předností je úplná

Obr. 2. Redundantní automatizační buňka

Obr. 3. Síťová architektura ALSPA

podniková síťrychlý Ethernet

inženýrská stanicepodniková síť

síť zařízenírychlý Ethernet

provozní síťdeterministický rychlý

Ethernet Powerlink

automatizační buňka

Ethernet Powerlink pro deterministickou síť v reálném čase

Při výběru nedeterministické sítě byla vol-ba snadná a přirozená, ale výběr determinis-tické sítě pracující přísně v reálném čase byl o něco složitější. Byla provedena rozsáhlá studie dostupných řešení pro práci v reálném čase. Řešení mělo splňovat tyto požadavky:– otevřený a nezávislý standard, vycházející

ze standardních součástek,– standardní řešení se silnou pozicí na trhu,– používání standardních zařízení a součás-

tek pro snížení nákladů,– základem systému je standardní Ethernet,– umožňují celosvětový vývoj síťových řešení,– univerzální řešení, ze kterého vycházejí

všechny současné i nové protokoly,– nevyžaduje speciální hardware,– osvědčený a robustní systém s dostupným a

výkonným bezpečnostním protokolem (až SIL 3),

��AUTOMA 12/2008

projekty a praxe

kompatibilita se standardními ethernetovými zařízeními. Další výhodou je, že umožňuje pro připojení vzdálených zařízení používat kabely s optickými vlákny s dosahem až ně-kolik kilometrů. Obrovským přínosem optic-ké komunikace je i možnost provozovat sítě v oblastech s elektromagnetickým rušením.

Vývoj systému Ethernet Powerlink u společnosti Alstom: vysoká dostupnost

Společnost Alstom přispěla k vývoji sys-tému Ethernet Powerlink zařazením funkce vysoké dostupnosti. Díky otevřenosti skupi-ny Ethernet Powerlink Standardisation Group (EPSG) může sdílet své dlouhodobé zkuše-nosti s vysoce dostupnými řídicími systémy v rámci EPSG. Byla ustavena pracovní skupina nazvaná Vysoká dostupnost, vedená pracov-níky společnosti Alstom, jejímž cílem je za-vést funkce pro vysokou dostupnost. Jedním z nejdůležitějších požadavků bylo vyhnout se změnám současné specifikace Ethernet Powerlink a zachovat plnou kompatibilitu s existujícími zařízeními. Pracovní skupina tohoto cíle dosáhla a představila funkce vy-soké dostupnosti jako doplněk k nynějšímu standardu Ethernet Powerlink.

Proto společnost Alstom dokáže implemen-tovat síť Ethernet Powerlink se stupněm do-stupnosti potřebným k řízení procesů v elek-trárnách. Kritické úlohy je nutné zajistit tak, aby se zabránilo výpadkům při selhání řídicí-ho hardwaru nebo poškození kabeláže. Nasta-ne-li porucha jednoho průmyslového počítače s řídicími funkcemi, druhý počítač musí tuto okolnost okamžitě zjistit, převzít úkoly porou-chaného počítače a zabránit tak nebezpečným provozním výpadkům. Redundantní kabeláž zavedená společností Alstom usnadňuje naleze-ní místa poruchy a zabraňuje ztrátám dat (beze ztráty cyklu, nulová doba rekonfigurace).

Funkce vysoké dostupnosti systému Ether-net Powerlink byla ověřena nejmodernější metodou ověření na modelech [1]. Po sesta-vení všech modelů a dokončení vývojových prací přešla společnost Alstom do fáze inten-

zivní simulace pro potvrzení výpočtů. Simu-lace byla další příležitostí k otestování funkcí systému v mnoha kritických situacích. Sys-tém byl zaveden do provozu po dlouhém a in-tenzivním ověřování, jehož výsledky potvrdi-ly jeho vysokou dostupnost.

Závěr

Integrací systému Ethernet Powerlink do provozních sítí prokázala společnost Alstom výhody použití Ethernetu v řídicích systémech v energetice. Společnost Alstom věří, že se standard Ethernet Powerlink prosadí, a je vel-mi spokojena s jeho vlastnostmi – splňuje totiž všechny požadavky na kvalitu nutné k úspěš-nému řízení kritických procesů.

Nedávno ohlášené rozhodnutí uvolnitzdro-jový kód Ethernet Powerlink s přístupným zdrojovým kódem – open-source (open-Powerlink) – vede společnost Alstom k pře-svědčení, že toto řešení budou přijímat stále další nezávislí výrobci zařízení.

Značně distribuovaná architektura řídicí-ho systému staví síť do pozice jeho ústřed-ního prvku. Proto je využívání výkonné sítě Ethernet, postavené na standardních etherne-tových zařízeních, zásadním krokem. Kromě toho společnost Alstom nabízí systém, který je standardní, osvědčený a spolehlivý.

Vylepšováním tohoto technického řešení získala společnost Alstom další zkušenosti a v případě potřeby může prosadit pokračová-ní vývoje. Z výsledků tohoto vývoje profituje celá komunita, protože nové funkce jsou stan-dardizovány skupinou EPSG a jsou otevřené pro každého. Využívání Ethernetu není pouze výhodným technickým řešením v současnos-ti, je také investicí do budoucnosti.

Literatura:[1] LIMAL, S. – POTIER, S. – DENIS, B. –

LESAGE, J.-J.: Formal verification of redun-dant media extension of Ethernet Powerlink.

Stéphane Potier, Emma Cameronová, Alstom Power, Massy (Francie)

Fish 57x248 - Ceska.indd 1 14-02-2008 10:03:51

krátké zprávy

Směrnice AIM Global o kvalitě štítků RFID pro pneumatiky

Štítky RFID použité v pneumatikách musí vydržet velké tlaky a teploty při vý-robě a následně neustálé průhyby pneu-matiky a extrémní kladné i záporné tep-loty při provozu. Uhlík v pryži pneumatik navíc významně ovlivňuje radiofrekvenč-ní signály. Při navrhování i výrobě těch-to štítků je tudíž nezbytné věnovat maxi-mální péči kvalitě. Odborná asociace AIM

Global, celosvětově uznávaný normotvor-ný orgán v oblasti RFID, proto zveřejni-la směrnici AIM Global RFID Guideline REG 396: RFID chips and transponders – Verification and qualification of design and manufacture – Part I: Tires, zpracova-nou skupinou jejích expertů jako pomůcka pro výrobce uvedených specifických štítků RFID, jejich uživatele i širokou veřejnost. Dokument je také nabídnut výboru ISO/ /IEC JTC-1 k použití v připravované tech-nické zprávě o kvalitě RFID.[ARCwire, 8. srpna 2008.]

(sk)