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Softwareentwicklung und Inbetriebnahme für alle Wehre an der Mosel in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut und der BAW- Karlsruhe

In den 60-iger Jahren wurde auf Initiative Frankreichs, Deutschlands und Luxemburgs die Mosel zu einem schiffbaren Fluss umgestaltet. Dazu wurden zwölf Staustufen bestehend aus Wehr und Kraftwerk errichtet.

Die Wehre setzen sich dabei aus drei Sektoren zusammen, die jeweils 40 m breit und 8 m hoch sind. Diese Sektoren werden mittels Wasserkraft gehoben und gesenkt, zählen demnach zu den hydraulisch betriebenen Verschlusskörpern.

Seit 1998 wird im Rahmen einer Erneuerung der elektrotechnischen und hydraulischen Anlagen auch eine vollkommen neue Automatisierung dieser Wehre realisiert. Die große Herausforderung bestand darin, hochkomplexe Regel-Algorithmen zur Oberwasserregelung eines Mittelgebirgsflusses auf bewährter SPS Technik umzusetzen und im Ganzen ein System zu schaffen, welches sich durch eine hohe Laufsicherheit, Robustheit und Verfügbarkeit auszeichnet.

Die von uns realisierte Automatisierungs-lösung besteht dabei aus den Komponenten:

  • Leitsystem
  • überlagerter Oberwasser-Abfluss-Regler (OW/Q-Regler),
  • unterlagerte Sektorlage-Regler,

wobei alle Systeme redundant ausgelegt sind (Abb. 1).

Leitsystem

Eine zentrale Rolle in der dargestellten Lösung kommt dem Leitsystem, als Schnittstelle des Bedieners zur Anlage, zu. Es muss sich durch eine hohe Laufsicherheit, hohe Leistungsfähigkeit, hohe Skalierbarkeit, einfaches Handling und eine Unterstützung des geforderten Redundanzkonzeptes auszeichnen.

Eine Bedienung des Wehres wird durch ein Konzept von Anlagensichten ermöglicht, die sich von einer Gesamtansicht bis zu Detaildarstellungen einzelner Anlagenteile erstreckt. Der Bediener hat so die Möglichkeit seine Anlage ‚AUF EINEN BLICK’ zu analysieren und bei Bedarf tiefer ins System einzusteigen (Abb. 2, Abb. 3)

Alle Alarme, Warnungen und Meldungen werden registriert, zur Anzeige gebracht und archiviert. Wobei die Archivierung in Dateien und auf einem Störmeldedrucker vorgenommen wird. Dazu existieren zwei Alarmarchive. Ein Archiv mit aktuell anstehenden Alarmen und ein Archiv mit historischen Alarmen. So hat der Benutzer einen schnellen Überblick über den aktuellen Zustand der Anlage bzw. kann im Fehlerfall, durch die Nutzung der Alarmhistorie, Fehler detailliert nachvollziehen und beseitigen.

Um bestimmte qualitative Einschätzungen über die Regelgüte des OW/Q – Reglers bzw. der Sektorlageregler vornehmen zu können, zeichnet das System Daten in Form von Trends auf.

Diese Trends werden in einem Zeitraum von zwei Jahren gespeichert. Das eingesetzte SCADA System zeichnet sich durch ein ausgeklügeltes Trendsystem aus, welches einen Ressourcenengpass schon im Vorfeld erkennt und so einen schleichenden Ausfall des Trendsystems vorbeugt. Die aufgezeichneten Trenddaten können in Diagrammen detailliert ausgewertet, zur Weiterverarbeitung in Excel portiert oder direkt auf einem Drucker ausgedruckt werden.

Um Fehlbedienungen zu verhindern bzw. bestimmte Bereiche der Anlage nur fachkundigem Personal (Servicepersonal etc.) zugänglich zu machen, wurde ein mehrstufiges Benutzermanagement umgesetzt. D.h., bestimmte Bereiche sind nur nach vorheriger Anmeldung mit Benutzerna(h)me und Passwort zugänglich. So ein Bereich ist z.B. die Parametrierung des Systems. Nach einer bestimmten Zeit der Inaktivität meldet das System den höher priorisierten Benutzer wieder ab.

Das Leitsystem besteht aus zwei gleichartigen Industrie-PC, wobei ein PC als Hauptstation agiert und ein zweiter als Nebenstation.

Die Hauptstation wird vom Bedienpersonal als eigentliche Bedienstation des Wehres genutzt. Die Nebenstation dient dem Servicepersonal als Analysegerät. Bei Ausfall der Hauptstation kann die Nebenstation als Hauptstation gestartet werden. Dieses Umschalten wird vom System so durchgeführt, dass keine Alarm- bzw. Trendinformationen verloren gehen.

Auch das Umschalten von einem OW/Q-Regler (SPS) auf den zweiten Redundanten wird vom System automatisch vorgenommen. Der Ausfall wird erkannt, automatisch auf das Zweitsystem umgeschaltet und dieses bei Bedarf mit aktuellen Parametern versorgt. Der Bediener wird über diesen Vorgang nur informiert und hat keinerlei Schalthandlungen vorzunehmen.

Alle beteiligten Automatisierungsgeräte werden zentral vom Leitsystem mit einer Uhrzeit versorgt, die über eine DCF77 Funkuhr eingelesen wird. Dadurch sind alle Systeme zeitsynchronisiert und eine manuelle Umschaltung der im System vorhandenen SPS, z.B. bei Wechsel auf Sommerzeit, ist nicht notwendig. Durch diesen Mechanismus sind alle Meldungen im Gesamtsystem zeitsynchron.

OW/Q-Regler

Der OW/Q-Regler hat im vorgestellten Konzept, neben seiner Hauptaufgabe, der Regelung des Stauziels, die automatische Vorgabe eines abflussabhängigen Stauziels, die Aufgabe der Überwachung von Oberwasser- u. Unterwasserpegel, die Aufgabe einer zentralen Fehlerver- und bearbeitung, die Aufgabe alle beteiligten Stationen und Automatisierungsgeräte zu überwachen, die Energieversorgung (Ringsystem) zu überwachen und bei Fehlschaltung einen geschlossenen Ring zu vermeiden.

An der Mosel wird ein neues innovatives Regelkonzept umgesetzt, das eine exakte Einhaltung des Stauziels (Höhe Oberwasserpegel) bei einer Vergleichmäßigung von Zuflussschwankungen in die Mosel und somit in den Rhein im gesamten Abflussspektrum (von Niedrigwasser bis Hochwasser) ermöglicht. Dieses Konzept wurde von der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) erarbeitet und in diesem Projekt fachspezifisch begleitet. In der ersten Ausbaustufe werden alle vor Ort Regler erneuert und in der zweiten soll ein zentraler Koordinator die Mosel verwalten und Hochwässer optimal (nach verschiedensten Kriterien) ableiten.

Ein von der BAW in C++ erstellter Algorithmus wurde auf eine SIMATIC SPS in STEP 7 implementiert. Dieser Algorithmus wurde an einem Hochauflösenden Hydro-numerischen Model der Mosel getestet und für jede Staustufe die optimalen Regelparameter bestimmt.

Zum Einsatz kommt ein modifizierter PI-Regler mit Störgrößenaufschaltung (Abb. 4). Die Störgröße ist in diesem Fall der Abfluss des jeweiligen Oberliegers, der zeitverzögert aufgeschaltet wird.

Der PI-Regler beinhaltet unter Anderem eine Windup Modifikation und einige Optimierungen bezüglich des Systemanlaufs aus Randlagen.

Durch die Symbiose aus Fachwissen und ingenieurtechnischem Know How ist eine optimale Lösung für die Mosel entstanden. Das System arbeitet von Anfang an optimal und bedarf keinerlei nachträglicher Optimierung der Regelparameter. Das Risiko von Funktionsstörungen in Grenzsituationen, z.B. Hochwasser und Niedrigwasser, wird so minimal gehalten.

Der Regler besteht aus folgenden Modulen:

  • Durchflussermittler
  • Störgrößenmodul (Retensionsglied)
  • Stauzielmodul
  • PI-Regler
  • Abflussverteiler

Eine zentrale Rolle spielt auch die Überwachung von Ober- und Unterwasserpegel. Dazu wurde eine zweistufige Wachfunktion realisiert. Die erste Stufe erzeugt nach einer Schwellwertüber- bzw. Unterschreitung für eine definierte Zeit einen Alarm. Die zweite alarmiert unverzüglich.

Des Weiteren sind Mechanismen implementiert, die zyklisch alle im System vorhandenen Automatisierungsgeräte auf Betrieb und Kommunikation kontrollieren. Dazu werden Lebensbits zwischen den einzelnen Stationen ausgetauscht.

Sektorlageregler

Wie Eingangs beschrieben, sind die Wehre an der Mosel Sektorwehre, die mittels Wasserkraft gehoben und gesenkt werden (hydraulisch betriebene Verschlusskörper). Den Sektorlagereglern kommt nun die Aufgabe zu, diese Verschlusskörper in einer vorgegebenen Lage zu halten, um eine konstante Sektorhöhe zu gewährleisten. Diese Regelung setzt hohe Ansprüche an die zum Einsatz kommenden Algorithmen oder Verfahren. Die Sektoren verhalten sich stark nichtlinear und zeitvariant. Dieses Verhalten ist von vielen Faktoren abhängig, wie z.B. Wasserauflast (Verhältnis von Oberwasser und Unterwasser), undichte Stellen in den Seitenlippen (nach Oberwasser, nach Unterwasser), unterschiedliche Reibung der Sektoren (Losreißen), Anströmung der Sektoren bei Betrieb mit einem, zwei oder allen drei Sektoren etc..

Der Regler muss den Sektor in seiner Lage halten und bei Änderung der Sektorstellung, diese so schnell als möglich mit geringem Überschwingen anfahren. Er muss ein gutes Regel- und Führungsverhalten aufweisen. Klassische Regelmechanismen, wie PI Regler etc. führten zu keinem zufrieden stellenden Ergebnis. Zum Einsatz kommt ein in unserem Haus entwickelter Algorithmus, der durch permanente Messung der Sektorverfahrgeschwindigkeit in Abhängigkeit des zu verfahrenden Weges die Stellglieder prädiktiv schließt, um ein gutes Führungsverhalten zu realisieren und nach Anfahren der neuen Stellung die Leckwasserverluste durch Öffnen der Stellglieder nach Ober- bzw. Unterwasser ausgleicht bzw. ausregelt.

Kommunikation- u. Informationsstruktur

Um alle oben genannten Funktionen zu realisieren, müssen alle beteiligten Automatisierungsgeräte zu einem System zusammengeschaltet werden. Dazu ist ein mehrstufiges Kommunikationsnetz aufgebaut worden (Abb. 5, Abb. 6).

Die erste Stufe, die Leitebene, ist über eine Kommunikation, mittels INDUSTRIAL ETHERNET, an die OW/Q-Regler gebunden. Der OW/Q-Regler kommuniziert über eine LWL-Ringstruktur, mittels PROFIBUS FMS, mit den Sektorlagereglern und die Feldebene wird über PROFIBUS DP angesteuert.

Für den absoluten Notfall wurde noch eine drahtgebundene Bedienung der Anlage, an allen Bussystemen vorbei, implementiert. In diesem Fall ist die Anlage nicht mehr über das Leitsystem steuerbar, sondern über eine separate Pultsteuerung, die auch im Bedienraum installiert ist.

Fazit

Durch den Einsatz modernster Technologien ist es gelungen, eine innovative Neugestaltung der Wehre an der Mosel zu realisieren.

Die vorgestellte Lösung zeichnet sich durch ein robustes Design aus, welche sich durch eine hohe Regelqualität (Einhaltung Stauziel), Analysequalität (Beseitigung von Fehlern u. Minimierung von Stillstand- u. Ausfallzeiten) und eine hohe Verfügbarkeit (Redundanzkonzept) hervorhebt. Zusammenfassend ist es gelungen den Nutzungsgrad der Wehrsteuerung wesentlich zu erhöhen. Die fruchtbare Zusammenarbeit von Wissenschaft (BAW) und Ingenieurstechnik hat entscheidend dazu beigetragen.