DE4407571A1 - System zur Verarbeitung von Daten einer technischen Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Verarbeitung von Daten einer technischen Anlage. Solche Systeme können Be­ standteile verteilter Echtzeit-Prozeßinformationssysteme sein, bei denen große Datenmengen zu erfassen, zu verarbeiten und aufzubereiten sowie visuell darzustellen sind. Echtzeit- Prozeßinformationssysteme sind üblicherweise in das Leitsy­ stem der technischen Anlage eingebunden, wobei unter techni­ schen Anlagen beispielsweise fossil befeuerte oder nukleare Kraftwerksanlagen und vielfältige Produktionsanlagen verstan­ den werden.

In einer Kraftwerksanlage sollen Überwachungs- und Informati­ onssysteme die aktuellen Betriebszustände der Anlage erkenn­ bar machen und Abweichungen von einem Sollzustand melden. Da­ zu ist eine umfangreiche Meßwerterfassung der Betriebszustän­ de aller Anlagenteile erforderlich. Dies sind beispielsweise in einer fossilbefeuerten Gas- und Dampfturbinenkraftwerksan­ lage unter anderem die Komponenten und Hilfssysteme der Tur­ bosätze. Diese Turbosätze umfassen als Funktionsgruppen die Gas- bzw. Dampfturbine sowie jeweils mit diesen über unter­ schiedliche Wellen gekoppelte Generatoren und einen Dampfer­ zeuger bzw. Kondensator. Ein Signal- oder Datenaustausch er­ folgt üblicherweise über ein Bussystem innerhalb des den An­ lagenteilen gemeinsamen Leitsystems, mit dem die Betriebszu­ stände der Anlage teil- oder vollautomatisch gesteuert und überwacht werden.

Mit zunehmender Energie und/oder Arbeitsausnutzung derartiger Anlagen und mit zunehmender Steigerung des Sicherheits­ standards, insbesondere nuklearer Kraftwerksanlagen, wachsen auch die Anforderungen an das Leitsystem, was beispielsweise bei einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage bedeutet, daß allein für die Überwachung der Komponenten und Hilfssysteme der Generatoren und der Turbinen mehrere tausend Meßwerte in mehr oder weniger engen Zeitintervallen diskon­ tinuierlich ausgewertet werden müssen.

Die dadurch steigende Komplexität der Überwachungseinrichtung führt zu wachsenden Schwierigkeiten bei der konsistenten Wei­ terverarbeitung erfaßter Prozeßdaten. In in das Leitsystem eingebundenen technischen Echtzeit-Informationssystemen kommt es neben schnellen Reaktionszeiten gerade auch besonders auf die zeitlich konsistente Weiterverarbeitung der Prozeßdaten an. Dies erfordert besondere Vorkehrungen, besonders wenn die ausgegebenen oder angezeigten Informationen auf komplexen Rechnungen und Verknüpfungen beruhen, gleichzeitig aber zur Sofort-Information (Echtzeit-Information) herangezogen werden sollen und die Datenquellen in verschiedenen, räumlich getrennten Teilkomponenten der technischen Anlage anzutreffen sind.

Bei dem Aufbau bekannter Leitsysteme wird zunehmend auf stan­ dardisierte Software-Basisfunktionen und standardisierte Be­ triebssysteme zurückgegriffen. Die ebenfalls zunehmende Stan­ dardisierung von solcher Basisfunktionen ("middle-ware") ver­ schlechtert das Echtzeitverhalten großer technischer Daten­ verarbeitungssysteme deutlich. Eine weitere Verschlechterung tritt durch den Zwang ein, am freien Markt erhältliche Kompo­ nenten aus Kosten-, Zuverlässigkeits- und Genehmigungsgründen unverändert einsetzen zu müssen.

Weiter erschwerend wirkt sich aus, daß besonders in techni­ schen Anlagen mit hoher Komplexität ein an diese Komplexität angepaßtes Leitsystem bereitgestellt werden muß, bei dem zu­ nehmend Aufgaben auf unterschiedliche Teilsysteme, wie z. B. vernetzte Personalcomputer, verteilt werden. Hierdurch ver­ größert sich die Gefahr, daß zeitlich inkonsistente Einzelda­ ten zu unzulässigen und irreführenden Aussagen verknüpft wer­ den.

Allgemein bekannte Abhilfemaßnahmen, wie z. B. Mittelwertbil­ dung, Wartezeiten oder das Takten aller Teilsysteme, sind für technische Echtzeitaufgaben, wie z. B. die Ausgabe von kom­ plexen On-Line-Prozeßinformationen im Sekundenbereich, mei­ stens unbrauchbar. Spezialsysteme, die unter Umgehung aller störender Standards mit speziellen Mitteln entwickelt werden, sind ebenso unbefriedigend, weil mit zunehmender Spezialisie­ rung eines Systems seine Kompatibilität mit Standardsystem abnimmt, wodurch ein Spezialsystem letztlich unwirtschaftlich und auch nicht vermarktbar ist. Ein Werterhalt des Software- Produkt-Investments ist deshalb anzustreben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur Verarbeitung von Daten einer technischen Anlage anzule­ gen, das in der Lage ist, große Datenmengen zu komplexen Echtzeit-Prozeßinformationen zu verarbeiten und dabei im we­ sentlichen auf ein Maßschneidern des Systems mit am Markt ak­ zeptierten Standardfunktionen zurückgreift.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein System zur Verarbeitung von Daten einer technischen Anlage mit Verarbeitungskomponenten, die zumindest einen Teil dieser Daten anfordern und/oder ausgeben und mit Kommunikations­ schnitt stellen, über die ein Datenaustausch zwischen minde­ stens zwei Verarbeitungskomponenten läuft, vorgesehen ist, bei dem die Kommunikationsschnittstellen zur Synchronisation asynchroner Datenaustauschvorgänge Datenhaltungselemente um­ fassen.

Hierdurch wird erreicht, daß die Verarbeitungskomponenten, die im allgemeinen ganz bestimmte Teilaufgaben der Prozeß­ überwachung und -steuerung innerhalb des Systems übernehmen, vollständig vom Management der Daten freigestellt sind. Die Verarbeitungskomponenten können auf diese Weise, wann immer es ihre eigene Programmfunktion erlaubt, auf die im Daten­ haltungselement befindlichen Daten zugreifen oder Daten in dem Datenhaltungselement ablegen. Auf diese Weise wird es verhindert, daß beispielsweise Verarbeitungskomponenten auf Bearbeitungsergebnisse von mit diesen Verarbeitungskomponen­ ten verknüpften Verarbeitungskomponenten warten, wodurch im allgemeinen das Echtzeitverhalten des gesamten Systems ver­ schlechtert ist, wie dies der Fall ist, wenn asynchrone Da­ tenaustauschvorgänge die simultane Weiterverarbeitung asyn­ chron vorliegender Daten behindern. Mit Hilfe der Datenhal­ tungselemente werden diese asynchronen Datenaustauschvorgänge synchronisiert, so daß im Ergebnis jede Verarbeitungskompo­ nente für die Bearbeitung der vorgesehenen Teilaufgabe not­ wendigen Daten einlesen und/oder ausgeben kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Daten­ haltungselemente als Ringspeicherelemente ausgeführt, deren Kapazität und Datenleistungszuordnung beliebig vorgebbar sind. Auf diese Weise ist dem Datenhaltungselement vorgebbar, welche Art von Daten in welcher zeitlichen Abfolge von wel­ chen, einen Datenaustausch verlangenden Verarbeitungskompo­ nenten über das Datenhaltungselement abgewickelt werden soll.

Weil moderne Leitsystem zunehmend durch eine Strukturierung bekannter Einheiten, u. a. auch bestehender Software-Module, zusammengesetzt sind, ist es vorteilhaft, wenn die Datenhal­ tungselemente innerhalb einer Systemkonfiguration mit den ge­ wünschten Verarbeitungskomponenten verknüpft und in Abhängig­ keit von der erwarteten Datenmenge auf die notwendige Kapazi­ tät ausgelegt sind. Die Datenhaltungselemente werden so durch Strukturierung bei gleichzeitig geringem Programmierungsauf­ wand in das die technische Anlage überwachende und steuernde System zur Verarbeitung der Daten der technischen Anlage ein­ gebunden.

Die Umsetzung der Echtzeitverarbeitung kann durch die Tatsa­ che, daß in den Datenhaltungselementen beliebig auswählbare Datenkombinationen, bestehend aus Daten von unterschiedlichen Datenleitungen und/oder unterschiedlicher Herkunft, zeitsyn­ chron ablegbar sind, vorteilhaft beeinflußt werden. Hierdurch ist es möglich, in beliebig konfigurierbarer Weise unmittel­ bar und zeitsynchron Daten für beliebig auswählbare Verarbei­ tungskomponenten zur Verfügung zu stellen.

Eine besonders betriebssichere und zeitkonsistente Verarbei­ tung der Daten ist erreichbar, wenn die von den Datenquellen der technischen Anlage generierten Daten einen für alle Da­ tenquellen einheitlich gestaffelten Zeitstempel haben. Hier­ durch wird eine Verifizierung des Generierungszeitpunktes der Daten erlaubt. So ist es auf diese Weise möglich, bestimmte in Ringspeichern abgelegten Daten anhand ihrer Zeitquittung identifizieren und aufrufen zu können. Dies ist bei­ spielsweise notwendig, wenn Diagnoseaufgaben von einer Verar­ beitungskomponente verlangen, zeitlich weiter zurückliegende Daten aus einem als Ringspeicher aufgebauten Datenhaltungse­ lement abzurufen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt die Figur in schematischer Dar­ stellung den logischen Funktionsaufbau eines Leitsystems 2 zur Verarbeitung von Meßdaten einer im Ausführungsbeispiel gewählten Gas- und Dampfturbinenkraftwerksanlage 4 (GuD-Anla­ ge). Mittels des Leitsystems 2 werden die hier nicht weiter dargestellten Komponenten der GuD-Anlage 4, wie z. B. Gastur­ bine, Dampfturbine, Generatoren, Dampferzeuger, Brennstoffzu­ führung, Wasserdampfkreislauf, geführt. Diese hier nicht wei­ ter dargestellten Komponenten sind jeweils in funktionelle Gruppen unterteilt und über Datenleitungen 6 Verarbeitungs­ komponenten, hier Automatisierungsbausteinen 8, zugeordnet. Die Automatisierungsbausteine sind über weitere Datenleitun­ gen 10 an einen Anlagenbus 12 gekoppelt. An den Anlagenbus 12 ist ferner ein Zeitgeber 14 gekoppelt, der den über die Da­ tenleitungen 10 am Anlagenbus 12 eintreffenden Daten einen Zeitstempel "aufdrückt".

Der Anlagenbus 12, über den Nutzinformationen, wie z. B. Meß­ werte, Rechenwerte, Zustandssignale, Indentifikationen, Qua­ litycodes und/oder Zeitstempel, übertragen werden, ist über einen Datenweg 16 mit einem anlagenseitigen Bedienelement 18 verbunden, das wiederum mit Datenhaltungselementen 20 über bidirektionale Datenleitungen 22 verbunden ist.

Jedes Datenhaltungselement 20 umfaßt ein Ringspeicherelement 24. Betriebsführungsseitig sind die Datenhaltungselemente 20 über weitere Datenleitungen 26 mit einem weiteren Bedienele­ ment 28 verbunden. Dieses Bedienelement 28 greift auf einen Leitbus 30 zu, an den Verarbeitungskomponenten, wie z. B. ei­ ne Systemprojektierungskomponente 32, eine Konfigurations­ komponente 34, eine Visualisierungskomponente 36, eine Archi­ vierungskomponente 38, eine Protokollierungskomponente 40 und eine Ablaufinformationskomponente 42, angeschlossen sind.

Beim Betrieb der GuD-Anlage 4 fallen einige tausend mehr oder weniger diskontinuierlich auftretende Meßwerte und Zustands­ signale an, die zu einem Großteil bereits in den Automatisie­ rungsbausteinen 8 aus- und bewertet werden. Aufgabe des Leit­ systems 2 ist es unter anderem auch, eine Vielzahl von Daten­ verarbeitungsprozessen zeitlich parallel und synchronisiert ablaufen zu lassen und insbesondere Daten, aus denen Aussagen über die Betriebssicherheit des derzeitigen Anlagenprozesses abgeleitet werden, in Echtzeit zur visuellen Aufarbeit zu verarbeiten. Diese Aufgabe wird durch die Datenhaltungsele­ mente 20 gelöst, die in einer Kommunikationsschnittstelle 44 angeordnet sind, wobei mit der Kommunikationsschnittstelle 44 die zwischen dem Anlagenbus 12 und dem Leitbus 30 ange­ ordneten Komponenten umfaßt sind.

Mittels der Projektierungskomponente 32 kann für jedes der Datenhaltungselemente 20 die Kapazität und die Datenlei­ tungszuordnung vorgegeben werden. Bezüglich der Kapazität wird die Anzahl der im Ringspeicher 24 zur Verfügung stehen­ den Speichersegmente 46 festgelegt, in die in zeitlicher Rei­ henfolge Meldeelemente, also Nutzinformationen, eingetragen werden. Bezüglich der Datenleitungszuordnung wird festgelegt, welche Daten zu welchem Zeitpunkt über den Anlagenbus 12 oder den Leitbus 30 kommend zu welcher Zeit in welches Da­ tenhaltungselement 20, im besonderen in welches Speicherseg­ ment 46, eingetragen oder ausgelesen werden. Die Verwaltung der Datenhaltungselemente 20 wird dabei von den Bedienele­ menten 18, 28 durchgeführt. In diesem Bedienelementen sind auch die Kapazität und Datenleitungszuordnung der Datenhal­ tungselemente 20 sozusagen als "Gedächtnis" abgelegt.

So kann beispielsweise auch in den Bedienelementen 18, 28 ab­ gelegt sein, welche Konfigurationsdaten bei Inbetriebnahme oder Neustartläufen aus der Konfigurationskomponente 34 in die Datenhaltungselemente 20 eingelesen werden müssen.

Für den Betrieb der GuD-Anlage 4 ist es besonders wichtig, die Visualisierungskomponente 36 mit Echtzeitinformationen zu versorgen, um jederzeit ein zeitkonsistentes Abbild des Be­ triebszustandes der GuD-Anlage 4, beispielsweise in der Leit­ warte auf einer Großbildwand, darzustellen zu können. Die hierzu benötigten Daten können mittels eines oder mehrerer Datenhaltungselemente 20 innerhalb einer mittels der Projek­ tierungskomponente 32 vorgebbaren Zeitspanne zusammengetragen und anschließend direkt an die Visualisierungskomponente aus­ gegeben werden. Den Datenhaltungselementen 20 ist dann exakt zugeordnet, zu welchem Zeitpunkt innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne welche Daten über welchen Datenweg geladen und wieder ausgegeben werden. Über den Anlagenbus 12 haben die Datenhaltungselemente 20 einen systemweiten Zugriff auf alle Datenerfassungsquellen, also auch über getrennte Erfassungs­ stationen hinweg, wie sie z. B. für die Gas- und Dampfturbine oder zur Erfassung der betriebsrelevanten Parameter des Was­ serdampfkreislaufs oder des Primär- oder Sekundärkühlkreis­ laufes in einer nuklearen Kraftwerksanlage, vorgesehen sind.

Wiederum andere Datenhaltungselemente 20 sind vorgesehen, um die Archivierungskomponente 38 und/oder die Protokollierungs­ komponente 40 mit den gewünschten Daten zu versorgen. Ferner können in der Informationskomponente 42 Ablaufinformationen über die zeitliche Disposition der Datenhaltungselemente 20 sowie ihrer Auslegungsparameter, wie z. B. Kapazität und Da­ tenleitungszuordnung, abgelegt werden. Ein hierzu speziell ertüchtigtes Datenhaltungselement kann die hierzu benötigten Daten unabhängig von anderen Datenhaltungselementen sammeln und behindert dabei beispielsweise nicht die Datenhaltungs­ elemente 20, die zur Prozeßvisualisierung in der Visualisie­ rungskomponente 36 eingesetzt werden, in ihrer Funktionsaus­ übung.

Die mittels der Datenhaltungselemente 20 erreichte Synchroni­ sation asynchroner Ereignisse kommt beispielsweise auch bei der Bilanzierung zum Tragen. Ein speziell hierzu ertüchtigtes Datenhaltungselement erfaßt zunächst die zur Bilanzierung er­ forderlichen Daten, wie z. B. Brennstoffeinsatz pro Zeit, elektrische Leistung des Generators, Verlustwärme am Konden­ sator, usw., d. h. das Datenhaltungselement synchronisiert im nachhinein zeitverzögernd eintreffende vorgenannte Daten, und gibt diese Daten nach Abschluß des Sammlungsverfahrens an die entsprechend ertüchtigte Verarbeitungskomponente zur Bilan­ zierung weiter. Auf diese Weise erhält diese Verarbeitungs­ komponente geringfügig zeitverzögert die für die Bilanzie­ rungsrechnungen erforderlichen Daten und kann diese Rechnung nun, weil die Daten zeitsynchron vorliegen, unmittelbar ausführen. Anschließend kann dieser Verarbeitungskomponente eine andere Aufgabe, wie z. B. Lebensdauerberechnungen für den Kessel oder die Turbinen, durchführen. Dies wäre nicht möglich, wenn während des Ablaufs der Bilanzierungsrechnungen der Programmablauf durch das asynchrone Eintreffen der zur Bilanzierung erforderlichen Daten verzögert würde.

In den Ringspeichern 24 der Datenhaltungselemente 20 wird auf die vorstehend genannte Weise eine Art Datenpufferung und da­ mit eine Entkopplung verschiedener leittechnischer Prozesse erreicht. Mittels der Bedienelemente 18, 28 und der Projek­ tierungskomponente 32 wird diese Datenpufferung und diese Entkopplung organisiert. Der Ringspeicher 24 besteht aus ei­ ner Aneinanderreihung von Speichersegmenten 46, sogenannten Meldeelementen. Diese Meldeelemente informieren jeweils über bestimmte Zustände im Prozeß der GuD-Anlage 4. Die Meldeele­ mente werden in der vorgegebenen zeitlichen Reihenfolge in den Ringspeicher 24 eingetragen. Die Meldungen können bei­ spielsweise in Typen unterschieden sein, wodurch am Meldungs­ typ erkennbar ist, welche Bedeutung die Meldung hat. Z. B. kann es einheitlich vorgesehen sein, daß ein Auftreten eines Fehlers durch eine Zustandsänderung eines Binärsignals ange­ zeigt wird, wodurch diese Änderung automatisch als Fehlermel­ dung erkannt und an die Visualisierungskomponente 36, in der beispielsweise die Leitwarte umfaßt ist, weitergegeben wer­ den.

Die Aktualisierung der Anzeige des durch die Binärsignalzu­ standsänderung hervorgerufene Anlagenstörung kann beispiels­ weise mittels der Bedienelemente 18, 28, die eine Art Ringspeicherverwaltung darstellen, hervorgerufen werden. Es ist dann im einzelnen Aufgabe der Visualisierungskomponente zu entscheiden, ob diese Fehlermeldung in der Leitwarte, bei­ spielsweise auf der Großbildwand, dargestellt werden muß oder ob diese Fehlermeldung auf einen Drucker ausgegeben und ar­ chiviert wird.

Beim Schreiben von Daten in die Meldeelemente des Ringspei­ chers 24 wird immer das zeitlich älteste Meldeelement aus dem Umlauf verdrängt und beispielsweise in der Archivierungs­ komponente 38 abgelegt und ist dort solange vorhanden, bis wieder ein gleichartiges Meldeelement aus dem Umlauf ver­ drängt wird. Auf diese Weise ist es sichergestellt, daß auf die letzte Änderung einer Information eines Meldeelementes immer noch zugegriffen werden kann, auch wenn die im Umlauf befindlichen Meldeelemente schon mehrmals überschrieben wor­ den sind.

Die in der Figur dargestellten Datenhaltungselemente 20 kön­ nen in dem Leitsystem 2 bedarfsweise als Hardware-Komponenten vorhanden sein. Ebenso können diese Datenhaltungselemente 20 sowie ihre Umgebung, d. h. die Bedienelemente 18, 28 und der Anlagenbus 12 und der Leitbus 30, virtuell über entsprechende Software-Definitionen hervorgerufene Komponenten sein.

Die im Ausführungsbeispiel gezeigten Datenhaltungselemente 20 weisen Ringspeicher 24 auf, die aus einer UNIX-Datei beste­ hen. Solch eine Datei enthält erstens die erforderlichen Ver­ waltungsdaten, d. h. die Angabe des in den Ringspeicher au­ torisierten Schreibers und der aus dem Ringspeicher autori­ sierten Leser. Zweitens enthält diese Datei sogenannte Index­ listen und drittens den eigentlichen Nutzdatenbereich. Mit­ tels der Indexlisten wird den zeitlich sortierten am Ring­ speicher eintreffenden Meldeelementen der für sie vorgesehene Platz im Nutzdatenbereich angewiesen.

Claims (5)

1. System (2) zur Verarbeitung von Daten einer technischen Anlage (4) mit Verarbeitungskomponenten (8, 36 bis 42), die zumindest einen Teil dieser Daten anfordern und/oder ausgeben und mit Kommunikationsschnittstellen (44), über die ein Da­ tenaustausch zwischen mindestens zwei Verarbeitungskomponen­ ten läuft, wobei die Kommunikationsschnittstellen (44) zur Synchronisation asynchroner Datenaustauschvorgänge Datenhal­ tungselemente (20) umfassen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenhaltungselemente (20) als Ringspeicherelemente (24) ausgeführt sind, deren Kapazität und Datenleitungszuordnung beliebig vorgebbar sind.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenhaltungselemente (20) innerhalb einer Systemkonfigu­ ration mit den gewünschten Verarbeitungskomponenten (8, 36 bis 42) verknüpft und in Abhängigkeit von der erwarteten Da­ tenmenge auf die notwendige Kapazität ausgelegt sind.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Datenkombinationen, bestehend aus Daten von unterschiedlichen Datenleitungen und/oder unterschiedlicher Herkunft, zeitsyn­ chron ablegbar sind.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Datenquellen der technischen Anlage (4) generier­ ten Daten eine für alle Datenquellen einheitlich gestaffelten Zeitstempel haben.