DE4421245A1 - Einrichtung zur Simulation des Betriebs einer technischen Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Simula­ tion des Betriebs einer technischen Anlage mit einem pro­ grammgestützten Simulationsbaustein. Unter technischen Anla­ gen werden hierbei insbesondere nukleare oder fossil befeu­ erte Kraftwerksanlagen sowie Fertigungs- und Produktionsanla­ gen verstanden.

In einer Kraftwerksanlage sollen Überwachungseinrichtungen die aktuellen Betriebszustände der Anlage erkennbar machen und Abweichungen von einem Sollzustand melden. Mit zunehmen­ der Energie- und Arbeitsausnutzung derartiger Anlagen wachsen auch die Anforderungen an die Anlagenverfügbarkeit, wobei für Schulungs-, Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen besonders kurze oder gar keine Stillstandszeiten angestrebt werden.

In der deutschen Patentanmeldung P 43 29 714.5 ist eine Ein­ richtung zur Überwachung von Betriebszuständen einer techni­ schen Anlage vorgeschlagen worden, mit der ausgehend von ei­ ner umfangreichen Meßwerterfassung eine hohe Betriebssicher­ heit und hohe Anlagenverfügbarkeit bei gleichzeitig besonders hoher Informationsverdichtung erreicht wird. Eine solche Ein­ richtung, die beispielsweise eine Kraftwerksanlage im Normal­ betrieb vollautomatisch steuert, kann nur dann realisiert werden, wenn das die technische Anlage betreffende technolo­ gische Wissen in geeigneter Weise bewertet und in betriebssi­ cheren Überwachungs- und Automatisierungsalgorithmen abgelegt ist. Eine solche Einrichtung kann jedoch aufgrund der gefor­ derten hohen Informationsverdichtung die einzelnen bei der Meßwertverarbeitung durchgeführten Operationen nicht während des Anlagenprozesses transparent machen.

Vielmehr - und dies ist sogleich die der Erfindung zugrunde­ liegende Aufgabe - besteht der Wunsch nach einer Einrichtung zur Simulation des Betriebs einer technischen Anlage, die un­ abhängig von dem die technische Anlage führenden Leitsystem ein Studium der der Überwachung und Steuerung zugrundegeleg­ ten Algorithmen zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zur Simulation des Betriebes einer technischen Anlage mit einem programmgestützten Simulationsbaustein vor­ gesehen ist, bei der vom Simulationsbaustein über einen Da­ tenbus aus einem Speicher eingelesene Simulationseingangsda­ ten anhand von aus anlagenspezifischem technologischem Wissen abgeleiteten Regeln im Simulationsbaustein in Symptome über­ führbar sind, diese Symptome im Simulationsbaustein anhand der Regeln zu Diagnosen weiterverarbeitbar sind und die Dia­ gnosen auf dem simulierten Anlagenbetrieb rückkoppeln, wobei jede vom Simulationsbaustein ausgeführte Simulationsoperation zu jedem beliebigen Zeitpunkt an eine Benutzeroberfläche aus­ gebbar und damit nachvollziehbar ist.

Auf diese Weise ist es zunächst möglich, an der Benutzerober­ fläche zunächst das Einlesen der Simulationseingangsdaten einzuleiten und gegebenenfalls in die Organisation des Ein­ lesens der Daten und deren Reihenfolge einzugreifen, um für die nachfolgenden Prozesse eine betriebsgerechte Datenverfüg­ barkeit bereitstellen zu können. Im Anschluß daran erlaubt es die Einrichtung, die Überführung der Simulationseingangsdaten in Symptome Schritt für Schritt zu beobachten. Die Überfüh­ rung geschieht im einzelnen durch das Anwenden der aus dem technologischen Wissen abgeleiteten Regeln auf die Simulati­ onseingangsdaten. Die einzelnen Regeln können hierbei bei­ spielsweise Soll-Istwert-Vergleiche, Grenzwertüberprüfungen und die Anwendung von Funktionen, wie z. B. Polynome, auf die Simulationseingangswerte sein. Daran kann sich die die Anwen­ dung von Zugehörigkeitsfunktionen auf die so bearbeiteten Si­ mulationseingangswerte und damit eine Fuzzifizierung der be­ arbeiteten Simulationseingangswerte anschließen, so daß aus den Simulationseingangsdaten von der wahren Größe der Ein­ gangsdaten freie Symptome resultieren. Dabei kann nun im ein­ zelnen überwacht werden, ob die Simulationseingangsdaten die entsprechend ihren Werten und anhand des technologischen Wis­ sens zugeordneten zugehörigen Symptome abrufen. Insbesondere für die Einflechtung neuer Symptome hervorrufender Regeln des technologischen Wissens ist diese Option vorteilhaft. Für den Betrieb der technischen Anlage ist es eminent wichtig, daß gemäß dem technologischen Wissen und der daraus abgeleiteten Regel aus den Symptomen die richtigen, den wahren Anlagenzu­ stand beschreibenden Diagnosen erzeugt werden. In Abhängig­ keit von der erzeugten Diagnose muß abschließend eine Rück­ kopplung auf den simulierten Anlagenbetrieb durchführbar sein, wobei wieder im einzelnen nachvollziehbar ist, welche Änderungen im Betriebszustand der technischen Anlage durch die entsprechend der einzelnen Diagnose hervorgerufenen Rück­ kopplungsmaßnahmen bewirkt werden.

Um bei der Simulation des Betriebs der technischen Anlage beispielsweise bestimmte Betriebsabschnitte nahezu identisch an den echten Anlagenbetrieb anpassen zu können, ist es vor­ teilhaft, wenn die Simulationseingangsdaten zeitlich spezifi­ zierbar in den Simulationsbaustein einlesbar sind. Dies be­ wirkt, daß die Ausgabe der Simulationseingangsdaten, deren Ausgabeformat vorzugsweise frei definierbar ist, bezüglich der Ausgabedauer und/oder bezüglich der Anzahl der Ausgaben und/oder bezüglich des Sendetaktes vorgebbar ist. Des weite­ ren bedeutet dies, daß die Ausgabe der Simulationseingangsda­ ten an den Simulationsbaustein beispielsweise durch ein Trig­ gersignal eingeleitet und auch gestoppt werden kann.

Insbesondere für den Echtzeitbetrieb des die technische An­ lage überwachenden, steuernden und diagnostizierenden Leitsy­ stems ist es vorteilhaft, wenn die Einrichtung zur Simulation des Betriebs der technischen Anlage dahingehend ausgestaltet ist, daß mittels der Benutzeroberfläche statistische Opera­ tionen aufrufbar sind, aus denen eine Zuordnung der in einem vorgebbaren Zeitintervall angefallenen Diagnose und deren Häufigkeit sowie eine Zuordnung des zeitlichen Verlaufs der Anzahl von Diagnose innerhalb eines vorgebbaren Zeitinter­ valls hervorgehen. Auf diese Weise ist es möglich, die Re­ chenkapazität des das Leitsystem unterstützenden Leitrechners zeitlich gleichmäßig auszunutzen und Belastungsspitzen abzu­ fangen. Eine Auswertung der Zuordnung von in einem vorgebba­ ren Zeitintervall angefallenen Diagnosen und deren Häufigkeit erlaubt beispielsweise auch das Herauf- oder Herabsetzen von Auslöseschwellen für bestimmte Diagnosen. Auf diese Weise kann beispielsweise verhindert werden, daß der Leitrechner nicht durch die Ermittlung bestimmter für den Anlagenprozeß nicht so relevanter Diagnosen ausgelastet ist. Sondern es ist jederzeit genügend Rechenkapazität vorhanden, um für den Be­ trieb der Anlage besonders relevante Daten zu bearbeiten, Symptome und Diagnosen zu erstellen sowie bestimmte eine Feh­ lerdiagnose behebende Maßnahmen einzuleiten und deren Umset­ zung zu überwachen.

Die Analyse der mittels der Simulation erworbenen Diagnosen und der entsprechenden Betriebszustände wird qualitativ ge­ steigert, wenn mittels der Benutzeroberfläche weitere stati­ stische Operationen zur Erstellung einer Informationsliste, aus der die zeitliche Abfolge aufgetretener Diagnosen hervor­ geht, aufrufbar sind. Auf diese Weise kann beispielsweise nachvollzogen werden, ob eine einmalig aufgetretene Diagnose in logisch richtiger Abfolge davon abhängige Diagnosen aus­ löst, die wiederum in den simulierten Anlagenbetrieb rückkop­ peln und beispielsweise das Wiedererreichen eines Normalzu­ stands herbeiführen.

Bei der Simulation des Betriebs einer technischen Anlage ist es wünschenswert, wenn ganz gezielt eine bestimmte Betriebs­ phase mit bestimmten Betriebszuständen zu Beginn dieser Phase herausgegriffen werden kann. Dies kann realisiert werden, wenn im Datenspeicher Konfigurationsdaten zur Initialisierung einer vorgesehenen Simulation umfaßt sind, wobei die Konfigu­ rationsdaten mittels der Benutzeroberfläche editierbar und editierte Konfigurationsdaten auf ihre Plausibilität prüfbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Figur erläutert. Dabei zeigt diese Figur den logischen Aufbau einer Einrichtung 1 zur Simulation des Betriebs einer nicht weiter dargestellten fossil befeuerten Kraftwerksanlage.

In der Figur erkennt man eine den übrigen Komponenten auch in der zeichnerischen Darstellung übergeordnete alphanumerische Bedienoberfläche 2, die für den Dialog mit den darunterlie­ gend angeordneten und noch zu erläuternden Komponenten ausge­ bildet ist. Die darunterliegend angeordneten Komponenten sind in sich abgeschlossene logische Einheiten und können mittels der Bedienoberfläche 2 aufgerufen werden. Dies sind im ein­ zelnen Editoren 4 bis 14, wobei der Editor 4 über einen Plau­ sibilitätsprüfer 16 mit einem Speicher 18 für Konfigurations­ daten KD, der Editor 6 über einen Formelprüfer 20 mit einem Speicher 22 für meßwertspezifische Formeln MF, der Editor 8 für symptombestimmende Regeln über einen Regelprüfer 24 mit einem Speicher 26 für symptomspezifische Regeln SR, der Edi­ tor 10 für Symptombeschreibungen über einen Beschreibungsprü­ fer 28 mit einem Speicher 30 für Symptombeschreibungen SB, der Editor 12 für Diagnosetexte über einen Textprüfer 32 mit einem Speicher 34 für Diagnosetexte DT und der Editor 14 für diagnosebestimmende Regeln über einen Regelprüfer 33 mit ei­ nem Speicher 35 für die diagnosebestimmenden Regeln DR ver­ bunden sind.

Über einen Selektionsbaustein 36 können Simulationseingangs­ daten ED für einen Test aus aus der technischen Anlage gewon­ nenen Online-Daten ausgewählt werden. Diese Online-Daten sind in einem Speicher 38 abgelegt und werden von einem Schreib- Lese-Baustein 40 an den Simulationsvorgang ausgegeben bzw. von diesem in den Speicher 38 zurückgeleitet. Die aus dem Speicher 38 stammenden Online-Daten enthalten neben den Meß­ werten auch sämtliche aus diesen Meßwerten abgeleitete Sym­ ptome und Diagnosen sowie die zugehörigen Zeitstempel. Ein Informationsbaustein 42 ist ertüchtigt, eine Informationsli­ ste zu erstellen, die in einem Graphikelement 44, das über die Bedienoberfläche 2 aktivierbar ist, für die graphische Darstellung aufbereitet wird. Diese Informationsliste umfaßt im einzelnen beispielsweise eine Aussage über den Umfang der aus dem Speicher 38 zur Simulation ausgelesenen Daten, eine zeitlich aufgelöste Aufstellung der ausgelösten Diagnosen und ihrer Anzahl. Die Informationsliste umfaßt des weiteren in vorteilhafter Weise eine Zuordnung der Anzahl der ausgelösten Diagnosen in Abhängigkeit von der Zeit. Dabei ist ein be­ stimmter Beobachtungszeitraum durch eine Auswahl der aus dem Speicher 38 ausgelesenen Daten beliebig vorgebbar.

Die eigentliche Simulation des Betriebs der technischen An­ lage, eine sogenannte Playback-Simulation, wird zum einen über ein den Betrieb dynamisch simulierendes Steuermodul 46 aktiviert, welches seinerseits von der Benutzeroberfläche 2 aus ansprechbar ist. Das Steuermodul 46 empfängt hierbei die aus dem Speicher 38 eingelesenen Online-Daten sowie aus dem Speicher 18 für Konfigurationsdaten die zur Simulation benö­ tigten meßwertspezifischen Formeln MF, symptombestimmenden Regeln SR, Symptombeschreibungen SB und diagnosebestimmende Regeln DR sowie Diagnosetexte DT. Zum anderen kann eine sta­ tische Simulation mittels eines Regelinterpreters 48 einzel­ ner eine Diagnose hervorrufender Meßereignisse durchgeführt werden.

Bei dem dynamischen Test laufen im einzelnen die auch im rea­ len Kraftwerkseinsatz verwendeten Rechenroutinen und Algo­ rithmen ab. Es wird ein Formelbewerter 50 aktiviert, der wie beim echten Betrieb der technischen Anlage die Meßwerte bear­ beitet, und beispielsweise verschiedene Meßwerte zu einer Re­ chengröße verknüpft. Im Anschluß daran wird wie beim echten Betrieb der technischen Anlage ein Regelauswerter 52 akti­ viert, der aus den zuvor bearbeiteten Meßwerten Symptome und Diagnosen ableitet, deren Entstehung und Ableitung in einem Graphikelement 54 für eine Graphik in der Bedienoberfläche 2 aufbereitet werden.

In einem zu dem Graphikelement 54 ähnlichen Graphikelement 56 wird die Entstehung und Ableitung einzelner Symptome und/oder Diagnosen graphisch aufbereitet. In der Benutzeroberfläche 2 kann dann anhand der Daten der Graphikelemente 54 und 56 eine sogenannte "diagnosis trace" oder Diagnosespur dargestellt werden, anhand der jeder einzelne zu einem Symptom oder zu einer Diagnose führende Schritt rückverfolgt werden kann.

Als ein weiteres feature kann mittels der Benutzeroberfläche 2 ein Programmodul 58 aktiviert werden, das vom Steuermodul 46 die Regel- und/oder Diagnosespur des zuletzt erreichten Meßzykluses übernimmt. Diese Regel- und/oder Diagnosespur kann mittels eines dem Regelauswerter 52 ähnlichen Auswerter 60 aus- und bewertet werden sowie in einem weiteren Graphik­ element 62 für eine graphische Darstellung der Regel- und/oder Diagnosespur in der Bedienoberfläche 2 aufbereitet werden.

Die Rolle eines programmgestützten Simulationsbausteins kön­ nen das Steuermodul 46, der Regelbewerter 48, das Programmo­ dul 58 und die alphanumerische Bedienoberfläche 2 übernehmen. Zur Simulation des Betriebs einer technischen Anlage wird zu­ nächst ein bestimmter Zeitraum ausgewählt, zu dem entspre­ chend die im Speicher 38 abgelegten Online-Prozeßdaten aufge­ rufen werden. Anhand dieser Daten wird im Informationsbau­ stein 42 eine Informationsliste erstellt. Diese umfaßt im Ausführungsbeispiel eine Aufstellung der im betrachteten Zeitraum aufgetretenen Diagnosen sowie deren Häufigkeit und eine Zuordnung der in Abhängigkeit von der Zeit während des beobachteten Zeitraums aufgetretenen Diagnoseanzahlen. Anhand dieser Informationsliste können richtige Rückschlüsse gewon­ nen werden, ob die in dem Speicher 22 abgelegten Formeln zur Bearbeitung der Meßwerte, die im Speicher 26 abgelegten sym­ ptombestimmenden Regeln und die aus den Symptomen eine Dia­ gnose ableitenden Regeln (diagnosebestimmende Regeln) an den technischen Zusammenhang in einer Weise angepaßt sind, daß ein störungsfreier Betrieb der diesem technischen Zusammen­ hang zugrundeliegenden Anlagenteile gewährleistet ist. Auf diese Weise werden auch Abläufe bei der Symptom- und Diagno­ seerstellung zeitlich optimiert und können im Rahmen einer Nachsimulation auf ihre Verwendung im echten Betrieb der technischen Anlage hin geprüft werden.

Entsprechend der aus dem Datenspeicher 38 ausgewählten Daten ruft das Steuermodul 46 aus dem Speicher 18 für die Konfigu­ rationsdaten KD diesen ausgewählten Daten entsprechende Kon­ figurationsdaten KD ab. Diese Konfigurationsdaten KD umfassen meßwertspezifische Formeln des Speichers 22, symptombestim­ mende Regeln des Speichers 26, Symptombeschreibungen des Speichers 30, diagnosebestimmende Regeln des Speichers 35 und Diagnosetexte des Speichers 34. Die hier umfaßten Formeln, Regeln und Texte müssen nicht physikalisch in dem Speicher 18 abgelegt sein, sondern es genügt auch ein Verweis auf die entsprechende Speicheradresse in einem der Speicher 22, 26, 30, 34 und/oder 35.

Mittels der Benutzeroberfläche 2 wird das Steuermodul 46 ak­ tiviert, das wiederum den Formelinterpreter 50, den Regelin­ terpreter 52 sowie das Graphikelement 54 aktiviert. Hierbei werden die aus dem Speicher entnommenen Online-Daten 38 wie aus dem echten Anlagenbetrieb stammende Meßwerte zunächst mit den meßwertspezifischen Formeln des Speichers 22 und an­ schließend mit den Regeln der Speicher 26 und 35 zu Symptomen und daraus abgeleiteten Diagnosen weiterverarbeitet. Die hierzu durchgeführten arithmetischen und logischen Verknüp­ fungen sind bedingt durch ihre graphische Aufarbeitung mit­ tels des Graphikelements 54 an der Benutzeroberfläche 2 Schritt für Schritt nachvollziehbar. Es kann auf diese Weise im einzelnen nachgeprüft werden, an welcher Stelle z. B. eine modifizierte Formel des Speichers 22 oder eine modifizierte Regel des Speichers 26 oder des Speichers 35 zu einer nicht dem technischen Zusammenhang angemessenen Aussage führen.

Mittels des Programmoduls 58 ist ein gesonderter "Schnapp­ schuß" möglich, weil hier die gesamte Regel- und Diagnosespur der aus dem letzten Meßzyklus abgeleiteten Symptome und Dia­ gnosen nachbearbeitet und graphisch aufbereitet wird.

Will man beispielsweise nur die Überführung eines Meßwert es in ein Symptom und die Weiterverarbeitung dieses Symptoms in eine Diagnose verfolgen, eignet sich ein mittels des Regelbe­ werters 48 durchgeführter sogenannter statischer Test. Die Entstehungsgeschichte einer mittels des Regelbewerters 48 ge­ testeten Diagnose wird im Graphikelement 56 für die Benutzer­ oberfläche 2 aufbereitet.

Eine weitere Option dieser Einrichtung zur Simulation des Be­ triebs einer technischen Anlage ist die Möglichkeit, eine Si­ mulation mit fiktiven Daten durchzuführen oder mit durch fik­ tive Daten ergänzte Online-Daten des Datenspeichers 38 durch­ zuführen. Auf diese Weise ist es möglich, ganz bewußt Anla­ genanomalitäten herbeizuführen und zu beobachten, in welcher Weise die entsprechend dem technologischen Wissen bezüglich der Anlage abgeleiteten Formeln und Regeln diese Anlagen­ anomalität auffangen und den Anlagenbetrieb in den Normal zu­ stand zurückführen. Mit dieser Option sind beispielsweise der Ausfall einer Hauptkühlmittelpumpe oder eine Wasserstoff­ leckage am Generator oder ähnliche relativ fatale Anlagenfeh­ ler simulierbar.

Claims (5)

1. Einrichtung (1) zur Simulation des Betriebes einer tech­ nischen Anlage mit einem programmgestützten Simulationsbau­ stein (46), bei der vom Simulationsbaustein (46) über einen Datenbus aus einem Speicher (18, 22, 26, 30, 34, 35, 38) ein­ gelesene Simulationseingangsdaten (ED) anhand von aus anla­ genspezifischem technologischem Wissen abgeleiteten Regeln (KD, SR, DR) im Simulationsbaustein (46) in Symptome über­ führbar sind, diese Symptome im Simulationsbaustein (46) an­ hand der Regeln (KD, SR, DR) zu Diagnosen weiterverarbeitbar sind, die Diagnosen auf den simulierten Anlagenbetrieb rück­ koppeln und wobei jede vom Simulationsbaustein (46) ausge­ führte Simulationsoperation zu jedem beliebigen Zeitpunkt an eine Bedienoberfläche (2) ausgebbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Simu­ lationseingangsdaten (EG) zeitlich spezifizierbar in den Si­ mulationsbaustein (46) einlesbar sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Bedienoberfläche (2) statistische Operationen aufrufbar sind, aus denen eine Zuordnung der in einem vorgebbaren Zeit­ intervall angefallenen Diagnosen und deren Häufigkeit sowie eine Zuordnung des zeitlichen Verlaufes der Anzahl von Dia­ gnosen innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls hervorge­ hen.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Bedienoberfläche (2) weitere statistische Operationen zur Erstellung einer Informationsliste, aus der die zeitliche Ab­ folge aufgetretener Diagnosen hervorgeht, aufrufbar sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Daten­ speicher (18) Konfigurationsdaten (KD) zur Initialisierung einer vorgesehenen Simulation umfaßt sind, wobei die Konfigu­ rationsdaten (KD) mittels der Bedienoberfläche (2) editierbar und editierte Konfigurationsdaten (KD) auf ihre Plausibilität prüfbar sind.