Computergestützte Kraftwerkstechnik: Mit dem digitalen Zwilling in die Zukunft

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427 Computergestützte Kraftwerkstechnik: Mit dem digitalen Zwilling in die Zukunft

Digitalisierung | IT-Sicherheit

Computergestützte Kraftwerkstechnik:

Mit dem digitalen Zwilling in die Zukunft

Uwe Schneider und Christian Gierend

1. Digitalisierung in der Industrie ...428

1.1. Erstes Modul: Engineering (ERP, CAD, CAE) ...429

1.2. Zweites Modul: Realer Zwilling (Sensorik) ...430

1.2.1. Echtzeitfähigkeit ...432

1.2.2. Hohe Verfügbarkeit durch Redundanz ...432

1.2.3. Offenheit ...432

1.2.4. Durchgängigkeit ...435

1.2.5. Horizontale Integration ...435

1.2.6. Vertikale Integration ...435

1.2.7. Leistungsfähigkeit ...436

1.2.8. Flexibilität und Skalierbarkeit ...436

1.2.9. Open Plattform Communications (OPC) ...436

1.3. Drittes Modul: Digitaler Schatten (Datenfusion) ...437

1.4. Viertes Modul: Digitaler Zwilling (Schatten und virtuelle Sensoren) ...439

2. Ausblick ...441 Wir leben in interessanten Zeiten, Zeiten des Umbruches und der Veränderung des Verständnisses der Trennung von Realität zu virtuellen Strukturen. Die Digitalisierung nimmt immer größere Züge an und ist die treibende Kraft hinter der Verschmelzung realer und virtueller Welt. In verschieden Branchen überbieten sich die Hersteller von Digitaltechnik deren Software mit Zukunftsprognosen und versprechen das Rüstzeug für die Zukunft. Dadurch sollen die Möglichkeiten, auch in Zeiten der Globalisierung wettbewerbsfähig zu bleiben, verbessert werden. Losgelöst von einzelnen Produkten, Meinungen und Herangehensweisen ist es sinnvoll, sich mit dieser Entwicklung auseinanderzusetzen. Je nach Branche sind diese neuen Ideen leichter oder schwerer umzusetzen. Dennoch, wenn die Prognosen zutreffen, wird sich niemand diesem Fort- schritt entziehen können. Insbesondere die Größe und Komplexität der in die digitale Welt zu überführende Gesamtheit legt einen hohen Schwierigkeitsgrad fest. Bekannte, immer wiederkehrende und mathematisch zu beschreibende Vorgänge geben dabei den Ausschlag wie schnell und günstig eine Simulationstechnik entwickelt werden kann.

So sind als Vorreiter der Digitalisierung und Simulation die Massenproduzenten von Gütern und Waren zu nennen. Weite Bereiche mit hoher digitaler Integration haben zum Beispiel in der Automobilbranche, der Elektronikbranche und der Luft- und Raumfahrtbranche Einzug erhalten.

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Uwe Schneider, Christian Gierend

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Das Konzept jeder realen Industrie ist es physikalische und chemische Vorgänge kontrolliert zu beherrschen und das Ergebnis daraus einem zahlenden Publikum bereitzustellen.

Dabei spielen verschiedene wirtschaftliche Faktoren wie Produktivität, Effektivität und Effizienz eine Rolle. Daraus erwächst der Wunsch diese Vorgänge nicht nur real sondern auch theoretisch zu beherrschen. Und wie einst Leibnitz im 17. Jahrhundert sinngemäß sagte: Ach die stumpfe Arbeit zur Lösung dieser Gleichung ist des Menschen nicht würdig, wenn es doch bloß einen Knecht gäbe dem man diese Aufgabe übertra- gen könnte. Im 21. Jahrhundert haben wir nun endlich die Möglichkeit zur Lösung dieser Aufgabe und ein Knecht ist auch gefunden – die Digitalisierung – und zwar in Form der rechnergestützten Numerik und der rechnergestützten Simulationsroutinen.

Anfangs war es nur das lösen komplizierter Differenzialgleichungen, danach das be- rechnen komplizierter Gleichungssysteme, gefolgt von der Visualisierung der Ergeb- nisse in Graphen und Designs; aktuell die vierdimensionale Abbildung der Realität im digitalen Raum. Bei der Optimierung von Produktionsschrittketten leisten die aktuellen Programme und Routinen gute Dienste, wodurch die Produktivität gezielt gesteigert werden kann. Aber auch bei der Abbildung chaotischer oder unbekannter Prozesse haben die stetige Weiterentwicklung von Modellen, Algorithmen und die Verbesserung der Prozessorleistung zu zufriedenstellender Genauigkeit geführt. Aus unserer Sicht sollte dieser Fortschritt in größerem Umfang als bisher in der Kraftwerkstechnik Einzug erhalten. Dieser Beitrag zeigt eine mögliche Nutzung dieser neuen Technologie und Technik an Abfall- und Biomasseverbrennungsanlagen auf.

1. Digitalisierung in der Industrie

Der digitale Zwilling ist einer der Vorreiter der Digitalisierung. Er setzt sich aus verschiedenen Modulen zusammen und ist damit das Produkt verschiedener Einzel- komponenten. Die Gründe zum Einsatz eines digitalen Zwillings sind je nach Branche verschieden. Grundsätzlich lässt sich branchenunabhängig sagen, dass das Vertreten zukünftiger, technischer und wirtschaftlicher Interessen den Aufwand zur Erstellung und zum Betrieb eines digitalen Zwillings rechtfertigen.

Die Entwicklung zur Erstellung eines digitalen Zwillings durchläuft vier Phasen. In der ersten Phase wird die Vergangenheit analysiert – was ist bisher geschehen. Darauf folgt eine diagnostische Analyse, die den Ist-Zustand oder – warum ist es passiert – festhalten soll. Im Anschluss daran werden in der dritten Phase die prädiktiven Anteile herausgebildet. Es gilt abzuschätzen – was wird passieren. In der vierten und letzten Phase geht es darum, wie die Abschätzung der Zukunft zur Realität werden kann oder anders ausgedrückt – wie ist es möglich zu machen.

Am konkreten Beispiel für die Anlagen- und Verfahrenstechnik zur Energiewandlung bedeutet die Erstellung des digitalen Zwillings die Einbindung und Verknüpfung fol- gender Bestandteile:

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1.1. Erstes Modul: Engineering (ERP, CAD, CAE)

Unabhängig davon, ob eine Anlage neu geplant wird oder sich bereits in Betrieb befindet, müssen verschiedene Grundbereiche der ingenieurtechnischen Betrachtung zusammengeführt werden. Aus dem Enterprise Ressource Planning (ERP) müssen zuerst die Randfaktoren für die notwendige Qualität, Produktivität, Versorgungssi- cherheit, Flexibilität und Kontinuität abgeleitet werden. Für eine konkrete Anlage heißt das Finanzen, Stoffströme, Materialströme und Energieströme sind zu bilanzieren. Aus welchen Einsatzstoffen soll am Ende des Prozesses welche Energieform bereitstehen.

Welche Mittel stellen den größten Anteil an den Kosten des Produktes Energie und lohnt es sich, aufgrund der zu erwartenden Ersparnis die Investitionskosten einer Modellerstellung auf sich zunehmen. Im Anschluss an die positiv beschiedene wirtschaftliche Betrachtung entsteht der eigentliche Vorgang zu Realabbildübertragung der Anlage in die virtuelle Struktur.

Bei Neuentwicklungen steht das computer-aided design (CAD) im Mittelpunkt der konstruktiven Aufgaben zum geometrischen Anlagendesign. Aber auch bei Bestands- anlagen, die vor der rechnergestützten Konstruktion gebaut und geplant worden sind, ist es notwendig, die Papierform und bestehenden Vorgaben zu Design und Größe des Realkörpers in ein CAD-Modell zu übertragen. In der Praxis haben sich bisher die 3D-Modelle als Kanten-, Flächen-, und Volumenmodelle durchgesetzt. Die Basis für die geometrischen Körper sind nach Anwendungsfall und Simulationsroutine, die im Anschluss verwendet werden soll, auszuwählen.

Diese Konstruktion kann beliebig komplex bis hin zur Aufteilung in jede Einzelkompo- nente und deren Design erstellt werden. Eine Begrenzung der Komplexität ist lediglich durch die zur Verfügung stehende Simulationsrechnerleistung zu erwarten.

Das computer-aided engineering (CAE) rundet die Basisplattform bei der Abfallver- brennungsanlagensimulation und der Biomasseverbrennungsanlagensimulation ab.

Unter diesem Gesichtspunkt werden:

• Stressanalysen einzelner Komponenten und Teile,

• Finite Elemente Analysen (FEA),

• Computational fluid dynamics (CFD) und

• Multibody dynamics (MBD) zusammengefasst.

Beim Zwilling für Energiewandlungsanlagen steht der Verbrennungsprozess im Vor- dergrund, deshalb werden in diesem Ansatz die Modelle zur Erstellung einer Analyse in eine CFD-Simulation überführt. Ergänzt wird diese durch eine echtzeitfähige nume- rische Simulation, die in den folgenden Schritten eine wichtige Funktion zur Reife und Anpassungsfähigkeit über die Gesamtnutzungsdauer des Modells beiträgt. Bild 1 gibt einen Überblick über das Zusammenspiel der Einzelkomponenten, die in Gesamtheit den virtuellen Zwilling bilden.

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1.2. Zweites Modul: Realer Zwilling (Sensorik)

Simulation und Analysen benötigen, um ein möglichst genaues Realitätsabbild zu gewährleisten die Möglichkeit auf empirische Werte und Daten zurückzugreifen. Im wesentlichen werden Prozessdaten benötigt, die durch Sensoren erfasst werden. Die Aufgabe des zweiten Moduls besteht, in Ergänzung zum ersten Modul, darin physikalische Größen, die dem Modell und damit dem realen Prozess zu Grunde liegen zu messen und in einer Datengrundlage zusammenzuführen.

In Energiewandlungsanlagen wird zur Prozessregelung und Datensammlung Mess- und Regelungstechnik eingesetzt. Eine über einen langen Zeitraum angesammelte Daten- menge gibt einen guten Überblick darüber – warum etwas passiert ist – (Big Data).

Ein Problem bei der Nutzung von Archivdaten aus Bestandsanlagen besteht darin, dass aus Kosten- und Effizienzgründen nur notwendige Daten zur Prozessführung gemessen und mit oft nicht ausreichender zeitlicher Auflösung archiviert werden.

Auf der einen Seite ist aufgrund der herrschenden physikalischen Bedingungen im Prozess eine dauerhafte Ausführung von Messstellen nicht möglich. Auf der anderen Seite steht die Wirtschaftlichkeit gegen die Ausführung von gewünschten Messstellen oder gegen den Einsatz bestimmter Messtechnik. Aus diesem Grund wird zusätzlich zu der vorhandenen Ausstattung bei der Erstellung des Zwillings eigene temporäre Mess- und Regeltechnik eingesetzt.

Das zur Beobachtung des realen Zwillings entwickelte Prozessleitsystem (PLS) ist in einem industrietauglichen Rechner implementiert. Das System bietet die Möglichkeit alle Ebenen der Automatisierungspyramide in die Prozessüberwachung einzubinden.

Somit ist eine Offenheit gegenüber Erweiterung, Umbau oder Abbau neuer oder alter Teilsysteme möglich.

Reale Sensoren PLS Betriebserfahrung

Virtuelle Sensoren Zustandsprädiktion Numerik/CFD Datenfusion

Industrie 4.0 Machine-Learning CAD CAE Best Practice

Digitaler Zwilling Digitaler Schatten

Engineering Realer Zwilling

Bild 1:

Die vier Module der Zwillinge im Zusammenhang

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Im Bereich der Steuerung und Regelung von Kraftwerksprozessen werden verschiedene Hersteller und Anbieter von Hard- und Software eingesetzt. Eine Durchgängigkeit der Regelungstechnik liegt nicht immer vor. Um eine Datengrundlage sicher sammeln zu können, ist in dieser Arbeit ein Prozessleitsystem aus den Produkten der deutsch- landweit am häufigsten eingesetzten Hersteller von Kraftwerksregelungstechnik unter nachfolgend genannten Kriterien ausgesucht worden.

In der Automatisierungshierarchie hat nur ein System höherer Ordnung ausreichend Fähigkeiten, den Kraftwerksprozess im laufenden Betrieb zu beobachten und zu steuern.

Dazu sind nur Prozessleitsystemlösungen in der Lage. Diese bieten uneingeschränkten Zugriff auf alle Ebenen der Automatisierungspyramide:

• die Feldebene mit ihren Sensoren und Aktoren;

• die Prozessleitebene mit der dezentralen Peripherie und den kleinen Verarbeitungs- geräten, den Mensch-Maschine-Schnittstellen (MMS) und dem Prozessleitsystem;

• die Betriebsleitebene und die Produktionsleitebene, auf der die Leitwarte mit ihren Kontroll-PCs und die elektronische Datenverarbeitung der Betriebsleitung einzu- ordnen sind.

Durch die Offenheit des Prozessleitsystems ist die Erweiterung des vorhandenen Sys- tems um neue Komponenten und Sensoren gewährleistet. In Bild 2 ist schematisch die Verbindung zwischen dem System des Kraftwerks als Automatisierungshierarchie (links) und der Systemarchitektur des entwickelten Prozessleitsystems (rechts) mit seinen Sensoren dargestellt. Das System und seine Komponenten werden angekoppelt, ohne die Prozessführung der Anlage zu beeinflussen oder zu stoppen. Die extern angekoppelte Leittechnik ist so vollständig in die vorhandene Hierarchie integriert. Dazu ist ein ausfallsicheres Kommunikationskonzept entwickelt worden, um die Verfügbarkeit des Systems bei einem Störfall der neu eingebunden Komponenten zu garantieren.

MES

Ethernet RS232

Box-Pc mit Betriebs- system Windows XP Professional Engineering Station Operator Station

PCS7

Integrierte Bussysteme

3,7 µm Bandpassfilter Messung durch

leuchtende Flammen und Rauch gemessene Spezies

sind O2,CO , NO, NOx, CO2, NO2, SO2

H₂S, HC

Matlab- Simulink

HMI / SCADA

INSPECT Detektion:Feuerlage, Feuerlänge, Feuerintensität

Temperaturmessung Wärmeübergänge

IR u.Cmos-Kamera Rohgasmessung

Datengenerierung Randbedingungs- kalkulation CFD-Vorkalkulation Archivierung und Übertragung von Daten

CMOS 16 bit HDR Bedien- und Beobachtungssystem

Maschinen- und Anlagensteuerung

Ein- / Ausgabesignale Produktions-

planung Produktionssteuerung

Betriebsdaten- managment

Mobiles Prozessleitsystem

Kraftwerksprozess

OPC-Server

Video-Kamera ERP

SPS / PLC

Aktoren / Sensoren Prozess -

leitebene Betriebs - leitebene

Produktions- ebene

Feld- ebene

Systemarchitektur des mobilen Prozessleitsystems

Bild 2: Kopplung des Prozessleitsystems mit der Automatisierungshierarchie

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Das Konzept der Echtzeit-Online-Kommunikation zum Datenaustausch zwischen der Automatisierungshierarchie des Kraftwerks und dem mobilen Prozessleitsystem mit seinen zusätzlichen Möglichkeiten hat vier grundlegende Funktionen:

1. Die Schnittstellenkonfiguration in PCS7, MATLAB/Simulink und Inspect zum kontinuierlichen Prozessdatenaustausch und zur Prozessdatenarchivierung.

2. Eine im Leitsystem hinterlegte Überwachungsfunktion (Wachhund), die das angekoppelte System auf seine korrekte Funktion hin überwacht.

3. Eine sicherheitsgerichtete Umschaltung auf den Standardbetrieb und Abkoppelung des Systems bei Störungen.

4. Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Bedienung und Visualisierung der Zu- satzfunktionen des mobilen Systems.

Um diese Funktionen zu realisieren, müssen wesentliche Kriterien erfüllt werden, die im folgenden näher beschrieben sind.

1.2.1. Echtzeitfähigkeit

Die Echtzeitfähigkeit des Systems beschreibt die Möglichkeit einer Steuer- und Rege- lungseinheit, auf Änderungen des Prozesszustandes reagieren zu können. Das heißt, dass ein Prozess den Zeitraum vorgibt in dem er mindestens elektronisch abgearbeitet sein muss. Zur Ausprägung dieser Fähigkeit gehört es, die elektrische Abtastrate aller Sensoren so zu wählen, dass die Daten mit entsprechender Prädiktion zur numerischen Verknüpfung und Ergebnisausgabe vor Ablauf dieses Zeitraumes zur Verfügung stehen.

1.2.2. Hohe Verfügbarkeit durch Redundanz

Bei einem komplexen Prozess wie der Verbrennung mit gekoppeltem Wasserdampf- kreislauf, kann der Ausfall der Prozessführung eine Gefahr für Leib und Leben der Mitarbeiter, Schäden der Umwelt, Schäden an der Anlage oder Kosten durch Pro- duktionsausfall bedeuten. Darum ist das Datenerfassungssystem redundant zu der Grundausstattung der Prozessführung des Kraftwerkes ausgeführt. Um das extern angekoppelte Leittechniksystem vollständig in die vorhandene Leittechnik zu integrieren, muss ein ausfallsicheres Kommunikationskonzept entwickelt sein, damit die Verfügbarkeit des Systems im Falle eines Ausfalls der neu eingebunden Komponenten und eine stoßfreie Umschaltung garantiert ist.

1.2.3. Offenheit

Darunter versteht man, dass einzelne Komponenten in der Automatisierungspyramide vertikal und horizontal erweitert werden können. Diese Offenheit besteht nicht nur in der Feld- und Steuerungsebene, sondern reicht bis in die Managementebene, da wirtschaftliche Daten, Betriebsführung, Logistik und Qualitätssicherung die Auslegung

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1.2.4. Durchgängigkeit Das Prozessleitsystem besteht aus vielen unterschiedlichen Systemen, daraus soll eine Gesamtlösung entstehen, die es dem Anwender ohne großen Mehraufwand ermöglicht an die Prozessinformationen zu gelangen. Das heißt, sie müssen für jede Komponen- te im System zugänglich sein. Ein Prozessleitsystem besteht aus vier grundlegenden Elementen:

1. der Software zur Programmierung, Parametrierung und Hardwareinitialisierung, 2. dem Automatisierungssystem zur Steuerung der Anlage,

3. der Kommunikation mit gängigen Bussystemen und

4. den Aktoren und Sensoren, die über eine dezentrale oder zentrale Peripherie an- geschlossen sind.

Es ist darauf zu achten, dass diese vier Ebenen durchgängig sind. Eine Schwierigkeit besteht darin, diese Durchgängigkeit trotz des Einsatzes von Software und Hardware verschiedener Hersteller zu gewährleisten.

1.2.5. Horizontale Integration Die horizontale Integration ist ein wichtiger Bestandteil der Automatisierung. In Kraftwerken werden oft verschiedene Hersteller, Anbieter und ältere Technik auf einer Hierarchieebene, insbesondere der Feldebene, parallel eingesetzt. Das hierzu entwickelte System ist mit moderner Messtechnik und aufeinander abgestimmten Produkten ausgestattet. Eine dezentrale Peripherie koppelt alle Sensoren an. Mit der geleisteten Arbeit zur Entwicklung eines mobilen Prozessleitsystems ist es nun möglich, bestehende Anlagen unabhängig von ihrem Baujahr und ihrer Ausstattung sensorisch zu erfassen.

1.2.6. Vertikale Integration Die vertikale Integration wird über die Schnittstellen auf Basis internationaler In- dustriestandards für die Kommunikation eines Unternehmens realisiert. Mit dieser Kommunikation stehen die Prozessdaten zu jedem Zeitpunkt an jedem Ort für die Bewertung, die Auswertung, die Speicherung, die Planung, die Koordinierung und die Prozessoptimierung zur Verfügung.

Die Anbindung der Steuerungsebene an die IT-Komponenten ist sichergestellt und ermöglicht eine Onlinesimulation des Prozesses. Über den PCS7-Web-Server oder über die Open-Platform-Communications-Schnittstelle (OPC) ist ein einfacher Da- tenaustausch gewährleistet. Dies bringt Vorteile bei Langzeitdatenerfassungen und ermöglicht damit, ganze Reisezeiten sensorisch zu erfassen, ohne selbst vor Ort zu sein. Der Zugriff über das Internet inkludiert die Fernüberwachung und -bedienung sowie die Ferndiagnose und -wartung des Systems.

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1.2.7. Leistungsfähigkeit

Hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit und Kommunikationsleistung sind für ein hoch- verfügbares, sicherheitsgerichtetes und fehlertolerantes Prozessleitsystem von höchster Priorität. Dies ist durch schnelles Ethernet für Anlagen- und Terminalbusse realisiert, sowie durch vielseitige Feldbusarchitekturen, wie die Anbindung der Sensoren und Aktoren über die dezentrale Peripherie (ET 200S) oder direkte Anbindung von Feld-/

Prozessgeräten und -instrumenten. Im Fall des hier entwickelten Systems ist aufgrund seiner Besonderheit die Leistungsfähigkeit durch die Aufsummierung der Kalkulati- onsdaten im Arbeitsspeicher beschränkt. Dies resultiert aus der fehlersicheren Nutzung eines Teils der Prozessorhardware als SPS. Aus diesem Grund sind ohne die Korrektur und Anpassung der nicht herstellerseitig freigegebenen Soft- und Hardware Abstürze nach 16 bis 20 Stunden zu erwarten, insbesondere durch die selbst programmierten Programmteile und Kalkulationsanwendungen ist das System gefährdet. Deshalb ist zusätzlich zu der 24 Stunden Betriebssicherung eine Leerung des Arbeitsspeichers nach spätesten acht Stunden im System explizit im Programmcode zu hinterlegen. Nur so ist es möglich, ein komplexes Modell, wie den digitale Zwilling, fehlersicher auf Basis eines PLS zu betreiben.

1.2.8. Flexibilität und Skalierbarkeit

Die Architektur des mobilen Prozessleitsystems ist so angelegt, dass sie optimal an die Dimension der jeweiligen Anlage angepasst werden kann. So ist sichergestellt, dass bei einer technischen Erweiterung oder Änderung im Prozess oder der Datenaufnahme einer anderen Anlagenstruktur das System erweiterbar bleibt. Diese Skalierbarkeit kann in allen Ebenen des Systems vorgenommen werden. Um der optimalen Skalierung Rechnung zu tragen wird hier ein Box-PC-Automatisierungssystem eingesetzt. Dies ist ein flexibles, hochverfügbares, sicherheitsgerichtetes und modulares Automatisie- rungssystem, das den Anforderungen der Aufgabe gerecht wird.

1.2.9. Open Plattform Communications (OPC)

Grundvoraussetzung zum Datenaustausch ist eine normierte Schnittstelle, die herstel- lerübergreifend für Steuerungs- und Beobachtungssysteme zur Verfügung steht. Im Regelfall sind in den verschiedenen Ausbaustufen der Prozessführung verschiedene Hersteller und Kommunikationsprotokolle im Einsatz. Zusätzlich werden auf

• der Feldebene (Aktoren/Sensoren),

• der Prozessleitebene (Maschinen und Anlagensteuerung/Bedien- und Beobach- tungssysteme),

• der Betriebsleitebene (Produktionssteuerung/Betriebsdatenmanagement) und

• der Produktionsleitebene

verschiedene Arten von Bussystemen eingesetzt. Eine normierte Schnittstelle zur Ankopp- lung muss neben den Kommunikationsprotokollen, den Applikationen zur Auswertung und den Aufbereitungswerkzeugen für Daten auf dem Leitsystem zur Verfügung stehen.

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Aus diesem Grund wir hier die OPC-Schnittstelle eingesetzt. Neueste Entwicklungen in der Kommunikationstechnik weisen darauf hin, dass der Standard OPC UA sich als Zukunftstechnologie im Zuge der vierten Industrierevolution als Industrienorm durchsetzen wird. Dem entwickelten System steht, durch die Nutzung künftiger Stan- dards, der Weg in die Zukunft offen.

Allgemein wird OPC dort eingesetzt, wo Sensoren, Regler und Steuerungen verschiedener Hersteller ein gemeinsames, flexibles Netzwerk bilden. Ohne OPC benötigten zwei Geräte zum Datenaustausch genaue Kenntnis über die Kommunikationsmöglichkeiten des Gegenüber. Erweiterungen des Systems und der Austausch von Komponenten ge- stalteten sich entsprechend schwierig. Mit OPC wird dies durch einen für jedes Gerät OPC-konformen Treiber möglich. Es lässt sich in beliebig große Steuer- und Überwa- chungssysteme integrieren. Dadurch stehen die Daten zur Überwachung, Archivierung und Steuerung durch eine hohe Datenübertragungsrate in Echtzeit zur Verfügung.

1.3. Drittes Modul: Digitaler Schatten (Datenfusion)

Aus den Daten des ersten und zweiten Moduls (Big Data) und den aktuellen Sensor- daten in Echtzeit entsteht ein digitaler Schatten. Diese Verknüpfung muss mit einer geeigneten Software geschehen. Der digitale Schatten hat an dieser Stelle bereits erste Eigenschaften des realen Zwillings und liefert wichtige Informationen zur strukturel- len Zusammensetzung des digitalen Zwillings. Es wird erstmals ein standardisierter Wissenszuwachs durch sensorbasiertes Machine-Learning erreicht. Die Grundstruk- tur des entwickelten digitalen Schattens für Feuerungen setzt sich aus verschiedenen Datenverarbeitungssystemen zusammen, die unter Bildung von Synergie- und Sym- bioseeffekten miteinander verknüpft sind.

Folgende Softwarepakete werden eingesetzt:

• Engineering Software

Die Nutzung eines Engineeringsystems mit einer breiten Werkzeugpalette mini- miert den Projektierungsaufwand. Unter Nutzung des globalen Projektmanagers werden die Applikationssoftware, die Hardwarekomponenten und die Kommuni- kation programmiert und parametriert. Die Erstellung, Verwaltung, Archivierung und Dokumentation des Projektes ist in dieser Softwareplattform umgesetzt.

• SIMATIC Manager

Der SIMATIC Manager ist die Integrationsplattform und die Projektierungssoft- ware für das Engineering des Prozessleitsystems. In dieser Entwicklungsumgebung wird das PCS7-Projekt verwaltet, archiviert und dokumentiert. Alle Bausteine, Plä- ne, Teile und Komponenten sind damit in der gewohnten Begriffswelt des Tech- nologen, sowie des Verfahrens- und Fertigungstechnikers geplant und projektiert.

Die Hardware des PCS7-Projektes, wie die Automatisierungssysteme, Kommuni- kationskomponenten und Prozessperipherie, ist in einem elektronischen Katalog hinterlegt, konfiguriert und parametriert.

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• Prozessobjektsicht

Durch die universelle Sicht auf die Messstellen unterstützt die Prozessobjektsicht die Arbeitsweise des Verfahrenstechnikers. Sie zeigt die technologische Hierarchie der Anlage und stellt sie in Kombination mit der tabellarischen Sicht auf alle As- pekte der Messstelle/des Prozessobjekts als Baum dar. Dies ermöglicht eine schnelle Orientierung. Die Objekte im Hierarchiezweig werden in einer Tabelle angezeigt und können dort mit Editier-, Filter-, Austausch-, Import- und Exportfunktionen bearbeitet werden.

• Die Mensch Maschine Schnittstelle (MMS)

Das Operator System OS ist multilingual, klar strukturiert, ergonomisch und über- sichtlich. Der Operator kann zwischen verschiedenen Anlagensichten wechseln und hat dadurch einen sehr guten Überblick über den Prozess.

Diese Anlagensichten und hierarchischen Bildstrukturen sind nach Belieben an- passbar und konfigurierbar. Dies ermöglicht bei der Prozessführung eine direkte Anwahl der unterlagerten Bereiche. Prozessbilder und Messstellen lassen sich auch direkt mit Namen über eine selektierte Meldung aufrufen. Es stehen zur technolo- gischen Darstellung zwei Ansichten zur Verfügung. Durch diese Funktionen lassen sich individuelle Positionen zusammenstellen, sichern und später wieder aufrufen.

• Trend Control Tool für Tabellen-Kurvenanzeige

Mit dem Trend Control Tool werden archivierte Werte von Variablen aus dem Prozesswertarchiv sowie Online-Werte von Prozessvariablen aus dem Variablen- haushalt in Relation zur Zeit (Tabellen-/Kurvenfenster) oder in Bezug zu einem anderen Wert (Funktionsfenster) angezeigt. Die Zeit ist in Relation zur aktuellen Systemzeit jeweils statisch oder dynamisch definierbar. Die Trend Control ist in der Lage, bei der Anlagenprojektierung vordefinierte Trend Controls während des Runtime-Betriebs individuell anzupassen und diese Einstellungen global oder be- nutzerspezifisch zu speichern. Es ist während der Laufzeit möglich, die Anbindung der Daten zu ändern und auf andere Daten zuzugreifen.

• INSPECT und Pyrosoft

Zur IR-Datenanalyse werden zwei Programme eingesetzt. Einmal das Programm Pyrosoft zur Aufzeichnung der Rohdaten und Visualisierung und im Anschluss daran das Programm INSPECT zur Auswertung, Filterung und Bildverarbeitung.

Diese Analysen der Strahlungsintensität sind ein wichtiger Grundstein zur Ablei- tung von empirischen Faktoren. Neben den Wärmeübergängen und den Wärme- leitfähigkeiten werden die Wärmeströme, die ins Material einkoppeln, bestimmt.

Zur Analyse der Transportgeschwindigkeit auf dem Rost, Feststellung des Bede- ckungsgrads, Messung der Temperaturen an den Seitenwänden, den Wärmeüber- tragern und den wasserführenden Teilen des Kessels, kommt die Bildverarbeitungs- software zum Einsatz.

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• NN-TOOL

In realen Anlagenstrukturen existieren neben den bekannten noch versteckte Ein- flussparameter. Diese versteckten Einflussfaktoren wirken nicht mit einem hohem Einfluss, aber viele dieser Faktoren zusammengenommen haben einen hohen Anteil an der Prozessführung. Phänomene, die durch die Hauptfaktoren überla- gert sind, werden durch die Einflussparameteranalyse und maschinelles Lernen bestimmt. Denn nur durch analytische Berechnungsverfahren ist nicht eindeutig zu klären, welche Einflüsse im Rauschen der Regelstrecke enthalten und wirksam sind. Durch die Analyse mit NN-Tool ist es möglich, solche Zusammenhänge zu erkennen und in den Zwilling zu überführen.

• MATLAB & Simulink

Zur Programmierung der Signalverarbeitung, der Bildverarbeitung, der Kom- munikation, der Umsetzung der Steuerungsentwürfe sowie der Sammlung und Verarbeitung von Daten zur globalen Verbrennungsprozesssimulation wird die Mathematiksoftware MATLAB mit der Erweiterung Simulink eingesetzt (CAE).

• ANSYS Fluent

Zur Entwicklung und Programmierung der diskreten Verbrennungsprozesssimu- lation, der Simulation der Temperaturfelder, der Konzentrationsfelder von Gasen und der Wärmeübergänge wird die Strömungsmechaniksoftware ANSYS Fluent eingesetzt (CAE, CFD).

1.4. Viertes Modul: Digitaler Zwilling (Schatten und virtuelle Sensoren)

Alle vier Module in ihrem Zusammenspiel ergeben den digitalen Zwilling. Im vierten Modul kommt die Auswertung der Daten aus den digitalen Schatten und die Verwer- tung dieser für den realen Zwilling zum Einsatz. Eine der wichtigsten Aufgaben für den Betrieb, die Optimierung und die Instandhaltung insgesamt liefert der digitale Zwilling in Form von virtuellen Sensordaten. Diese Sensordaten können dem nume- risch basierten, digitalen Zwilling entnommen werden. Sie stellen eine aussagekräftige Ergänzung zu der realen Sensorik dar.

Es gibt mehrere Gründe warum diese Ergänzungen hilfreich sein können. Zum Beispiel, wie im zweiten Modul beschrieben, gibt es physikalische und wirtschaftlicher Gründe, die gegen die Ausführung gewisser Sensormessstellen sprechen. Diese müssen aber nicht unwichtig sein, denn insbesondere dort wo starke physikalische Reaktionen und Temperaturfelder das Messen verhindern verbirgt sich meist der Kern des zu führenden Prozesses. Diese Sensormessstellen können digital substituiert werden. Diese virtuelle Ergänzung trägt dauerhaft zum Ersatz der temporären Sensoren, die zur Sammlung der empirischen Datengrundlage für den digitalen Schatten dienten, bei und liefert Informationen zu physikalischen Größen an Stellen an denen eine Messung oder die Messung der bestimmten Größe generell verwehrt bleibt.

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Im Prinzip ist der digitale Zwilling ein Simulationsmodell, welches die reale Anlage über die gesamte Lebenszeit begleitet. Initialisiert und gespeist mit Daten aus dem kontinuierlichen Betrieb ergänzt mit den virtuellen Sensordaten ist es nicht nur möglich an Stellen zu messen, die messtechnisch nicht zugänglich sind, sondern ermöglicht das frühzeitige Erkennen von Schieflagen und die Durchführung vorausschauender Wartungen. Dadurch lassen sich ungeplante Ausfällen vermeiden und Kosten einsparen.

Ein Beispiel für den Einsatz virtueller Sensoren liefert die Gegenüberstellung der Datenanalyse zur Optimierung einer Sekundärluftstufung in Bild 3. Die bessere Be- herrschbarkeit der Sekundärverbrennung und Strömungsführung im Vergleich zu der angelegten Hauptströmung an der Rückwand (links) ist deutlich zu erkennen. In der Abbildung rechts ist die neue Luftstufung signifikant verbessert und mittig zentriert.

7,000e + 001 6,549e + 001 6,098e + 001 5,647e + 001 5,196e + 001

7,000e + 001 5,250e + 001 3,500e + 001 1,750e + 001 0,000e + 000 [m s^-1]

Geschwindigkeit Isosurface 2

Geschwindigkeit 4,843e + 001 4,588e + 001 4,333e + 001 4,078e + 001 3,824e + 001 3,569e + 001 3,314e + 001 3,059e + 001 2,804e + 001 2,549e + 001 2,294e + 001 2,039e + 001 1,784e + 001 1,529e + 001 1,275e + 001 1,020e + 001 7,647e + 000 5,098e + 000 2,549e + 000 0,000e + 000 [m s^-1]

4,961e + 001 4,685e + 001 4,409e + 001 4,134e + 001 3,853e + 001 3,307e + 001 3,031e + 001 2,756e + 001 2,480e + 001 2,205e + 001 2,205e + 001 1,929e + 001 1,654e + 001 1,378e + 001 1,102e + 001 8,268e + 000 5,512e + 000 2,756e + 000 0,000e + 000 [m s^-1]

Geschwindigkeit Ausschnitt 0

0,500 1,000 (m)

0 0,500

1,000 1,500

2,000 (m)

0 2,250

4,500 6,750

9,000 (m) 0

4,000 8,000 (m) Geschwindigkeit Isosurface 1

[m s^-1]

Bild 3: Optimierung der Sekundärluft mit virtuellen Sensordaten

Je nach gewünschter Aufgabenstellung bietet der digitale Zwilling gegenüber seinem realen Zwilling Möglichkeiten zur Durchführung von

• zerstörungsfreien Stresstests,

• vorausschauender Instandhaltung,

• Betrachtungen neuer Ideen vor der Umsetzung,

• individuellen Anpassungen, zugeschnitten auf die Eigenschaften des realen Zwillings,

• Optimierungsmaßnahmen,

(15)

sowie Maßnahmen zur

• Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit,

• Erhöhung der Anlageneffizienz,

• Kostensenkung,

• Transparenz,

• Sicherheit und

• Risikokalkulation.

Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, das durch die große Datenmenge die zur Verfügung steht Big-Data-Analysen gezielt und unter Umständen ergänzt durch ano- nymisierte Daten aus anderen Bereichen eine wertvolle Basis bilden, um die Anlagen gezielt nach den Bedürfnissen der Betreiber weiterzuentwickeln.

2. Ausblick

Eine zukünftige Option wäre es nicht nur die Anlagen als Gesamtsystem mit einem digitalen Zwilling zu versehen, sondern zusätzlich alle ihre Bauteile und Komponenten.

So bietet sich beispielsweise die Möglichkeit für die Hersteller von Komponenten ihre Produkte in einen digitalen Zwilling zu überführen.

Dadurch könnte in naher Zukunft ein Portfolio digitaler Zwillinge aufgebaut werden, aus dem durch Einbindung und Simulation im Anlagenzwilling, geeignete Kompo- nenten ausgewählt werden.

So könnte es möglich werden, bei der Performanceverbesserung von Anlagen nur anzugeben was man gerne möchte und das Programm sucht die entsprechende Kom- ponente, integriert sie im System auf Basis eines digitalen Zwillings und schlägt mehrere Lösungsstrategien vor. Der Ingenieur muss dann nur noch auswählen, welche Lösung am besten zu seiner Problemstellung passt. Zugegeben, das ist Zukunftsmusik, aber eine die durchaus erstrebenswert ist.

Damit ist klar, je früher ein digitaler Zwilling erstellt wird desto höher wird der Benefit sein der dadurch generiert wird. Darum ist die Erstellung eines digitalen Zwillings immer eine Investition in die Zukunft und nicht in die Gegenwart.

Ansprechpartner

Uwe Schneider, M.Sc.

Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Fakultät für Ingenieurwissenschaften

Goebenstaße 40

66117 Saarbrücken, Deutschland + 49 681 5867-714

uwe.schneider@htwsaar.de

(16)

Dorfstraße 51

D-16816 Nietwerder-Neuruppin

Tel. +49.3391-45.45-0 • Fax +49.3391-45.45-10 E-Mail: order@vivis.de

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Vorwort

4

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar

Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, Peter Quicker, Alexander Gosten (Hrsg.):

Energie aus Abfall, Band 16

ISBN 978-3-944310-45-9 Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH

Verlag: Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH • Neuruppin 2019

Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Dr.-Ing. Olaf Holm

Erfassung und Layout: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Ginette Teske, Sarah Pietsch, Claudia Naumann-Deppe, Janin Burbott-Seidel, Roland Richter, Cordula Müller, Gabi Spiegel

Druck: Universal Medien GmbH, München

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