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WAGO模块化系统的自动化应用方案

发布时间:2015-12-22 10:58   类型:解决方案   人浏览

WAGO模块化系统的自动化

■在能源技术领域,从集中控制型电网向分布式、智能化电网(称为智能电网)的转换已经开始。早在两年前,虚拟电厂就已开始安全地参与电能运转储备市场。与此同时,在过程控制领域,系统运营商对于采用模块化系统的渴望引发了业界的热烈讨论,尤其是关于自动化系统如何采用模块化架构这一课题。既然能源技术行业已经有了解决方案,为什么不直接采用相应的结构呢?

作为向可再生能源转变的工作之一,德国目前已着手对其整个能源系统进行改造。由于太阳能和风能等可再生能源在逐步取代传统能源,因此有必要将各种小型发电设备并入现有

电网中。尤其是在以保证能源供应稳定性和安全性为前提下,这对于电网运营商就形成一个

巨大挑战。因为基于大型电厂的集中式供电已被取代,现在需要的是对集成众多分布式系统

的电网进行控制。因此,电网必须具备足够的智能化以联接和控制发电系统,使电能的生产和消耗达到完美和谐。但是随着发电机数量的增加,系统变得日趋复杂,中央控制器迅速达到了性能极限。过程控制系统的用户已经认识到这一缺陷,因为这确实已经成为困扰他们的一个问题。

■已知的挑战

过程控制领域的生产环节繁多,涉及从原材料处理到成品包装过程。目前这些环节中有许多均封装在单独的安装模块中。因此,像电网一样,过程系统也包含许多分布式单元。这样的模块化架构为系统运营商带来了优势,使他们通过在专用单元中增加或更换模块即可实现扩展或改造,从而构建新的系统。这样做还可以灵活地开启和关闭各个单元,或者整体更换各个单元。有了这种模块化架构,系统运营商可以根据市场变化迅速作出反应。但是,目前过程控制技术使用的模块均通过集中式智能——上层过程控制系统——来进行自动控制。而对于后者,需要手动集成系统模块,不仅耗时,而且彻底破坏了模块化的基本优势,因为模块本身不具备任何智能控制技术,无法自主发挥作用。对于可灵活集成众多模块的网络而言,单靠中央控制器已不足以满足需求,而是需要一种智能化的自动化架构。这种架构可以在中立的通信层面上集合单独模块,完全像在电网中那样在过程控制行业中发挥作用。

■分布式自动化提升了灵活性和系统可用性

能源领域的自动化和过程领域的过程控制中同时采用的一种解决方案是将传统的集中式自动化分成两层。上层控制器的作用简化为协调子系统和上层功能,例如运行和监测整个过程。下层的分布式子系统具有足够的自动化智能,可以在很大程度上自主地发挥作用。

Vattenfall Europe W?rme AG就采用了这种分布式设计来开发他们的虚拟电厂。他们的虚拟电厂于2010年10月上线,可以智能联接分布式发电系统,利用弹性的发电设备和用户来补偿电网风能和太阳能的供应波动。一旦风力发电出现过剩,虚拟电厂就会调动电力用户。在发电不足时,可以灵活控制分布式热电联产厂(CHP)来提供保持电网稳定所需的电能。为了能够通过虚拟电厂的CHP来高效开发电能运转储备市场,Vattenfall必须克服重重挑战。系统必须从位于德国汉堡的VattenfallW?rme总部的中央控制室对运行情况进行协调,并控制电能输出。因此,必须从输电网络运营商那里获得电能运转储备需求的实时信息。输电网络运营商的控制信号通过主控室分发到各个发电系统,并实时监控实施情况。为了应对这些挑战,Vattenfall投资近四百万欧元开发了适合的控制技术。而他们的投资获得了丰厚回报:自2012年11月以来,Vattenfall及其虚拟电厂一直在参与利润可观的运营电能储备市场业务。

■过程行业的飞跃

过程行业也有可能经历相似的飞跃,而且它们可以通过借鉴能源行业中经验证的、成功的解决方案实现这种飞跃。看起来,“分布式模块的自主智能技术”能够为过程行业带来同样的转变。WAGO将这种技术应用在了一个名为DIMA(分布式智能模块化系统)的解决方案中。与采用传统过程控制系统的整装系统架构不同的是,DIMA注重于实现模块自身的智能控制,就像虚拟电厂一样,从这一点来看,过程技术系统的架构与电网相似,也是分为两个区域。管理层和各个与过程相关的模块,其中管理层只负责全部过程监控和流程控制,而各模块则包含I/O层及其自身的自动化控制。跨系统功能(例如配方管理)由上层自动化系统执行,而基本功能则由各模块本身的自动化处理。

当采用DIMA时,模块的描述由“模块类型封装”(MTP)实现。MTP中包含关于过程控制集成、运行和监测功能以及批处理功能的信息。模块供应商对模块进行配置后,系统运营商在集成工程期间使用相应的MTP,然后配置整个系统。管理层与模块之间采用面向服务的架构(SOA)以面向服务的方式进行通信。配备自身智能控制的模块可以像搭积木一样轻松地集成在整个系统内,而且将来还可以灵活地进行更换,就像在电网中可以根据需要随时开启或关闭CHP那样。

■标准或开放式信息源使其成为可能

在使虚拟电厂实现自动化的过程中,Virtual Heat and Power Ready(VHP Ready)控制标准发挥了关键性的作用。监测和控制分布式、异构性能源系统需要有通信标准以及(取决于分布式系统的任务)专业定义,例如运行特性和反应时间的默认值。由于需要同步源于不同制造商的通信和能源组件,弗劳恩霍夫开放通信系统研究(Frauenhofer Institute FOKUS)所于2013年末发起了主要针对虚拟热电厂的公共行业联盟。此后,五家知名公司于2014年2月成立了行业论坛VHPready e.V.,从而为跨行业、跨制造商的虚拟电厂开发奠定了基础。该论坛后来增加到了23家成员公司(截止2014年10月),他们通过VHPreadye.V.行业论坛在分布式电厂的通信网络和能源控制规范方面开展协作,此外也包括认证和预认证支持相关查验方面的合作。

为使过程行业也能取得能源行业的成就(即采用分布式智能控制的模块化架构),过程行业也需要建立相似的联盟。尽管DIMA不需要新标准,但为了与现有(部分情况下是专有性)的解决方案衔接,将需要公布和编制现有控制和SCADA系统的接口。只有如此,DIMA方可解析现有控制系统和SCADA系统采用的模块描述(MTP)。作为表率,WAGO已为行业提供了自己的技术,以供深入讨论和联合开发。

文: Hanno Balzer,Vattenfall Europe W?rme

和Ulrich Hempen,WAGO

图: WAGO


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