Answers for energy.

Instrumentation, Controls & Electrical

Translation of an article from VGB PowerTech,July 2011

Authors Dr. Heinz-Jürgen Wüllenweber, Niederaussem Power PlantJürgen Brunner, Siemens AG Ludger Küppers, Kraftwerksschule e.V.

Using simulators for virtual commissioning of the main DCS in modernization projectsBased on the example of Neurath Power Plant, Unit D, RWE Power AG

Using simulators for virtual commissioning of the main DCS in modernization projects

Heinz-Jürgen Wüllenweber, Jürgen Brunner and Ludger Küppers

Based on the example of Neurath Power Plant, Unit D, RWE Power AG

Abstract

Authors

Use of simulators for virtual commis-sioning of main DCS in retrofitting

projects – Case study: Neurath Power Plant Unit D,

RWE Power AG

Introduction

Advantages of virtual commissioning of the main DCS

On the basis of positive experience with mod-ern simulator development systems and virtual distributed control systems for training simula-tors, the main distributed control system (DCS) in the Neurath power station unit D was commissioned in advance, using a specially adapted simulation system.

In the context of the modernization project to make the unit more flexible, the main aims of this virtual commissioning of the DCS were:

– ascertaining the time actually needed for real commissioning,

– quick and safe testing of the highly complex plant,

– minimized use of resources and mini- mum-wear lifespan of the plant during commissioning and optimization,

– maximizing production profit by ensuring high availability as from initial synchronization.

These aims of the project were largely reached. The potentials of virtual commission-ing were demonstrably pointed out for the first time.

Today, simulators for fossil-fired power plants are designed with development envi-ronments that allow the rapid generation of process models as well as full emulation of all I&C functions. The simulation models are created by means of graphical development tools from the simulator manufacturer that generate high-precision process models quickly, using code generators or interpreters. The I&C configuration is loaded from the ref-erence plant with the aid of virtual I&C sys-tems from the DCS supplier that provide the original functions of the HMI level, as well as reproduction of the automation of the main DCS in the simulator environment. The plant and historical operation documentation avail-able in the existing plant is adequate to create process models. For power plant construction projects, process models are generated with sufficient accuracy using the design data. Nowadays, simulators are created with pro-ject times of approximately 18 months. These project times are comparable with the dura-tions of DCS retrofit projects in existing power plants, and significantly shorter than those of power plant construction projects.Consequently the simulator can be used for testing the DCS functions in advance, and afterwards the test and commissioning simu-lator can be expanded to create a fully-func-tional training simulator. This kind of simula-tor was used for the first time in the modernization project for Neurath power plant Unit D with considerable success. Sim-ulators are currently also being developed in power plant construction projects, with the same objectives.

The simulator environment provides an opti-mum test field for virtual commissioning of the DCS for the purposes of testing, correct-ing and optimizing the I&C automation func-tions of the individual control, group control and unit control levels. Tests are performed using the original operator stations of the DCS with the process flow diagrams, face-

Dr.-Ing. Heinz-Jürgen Wüllenweber Manager Plant Technology Niederaussem Power Plant RWE Power AG Niederaussem, Germany

Jürgen Brunner, Dipl.-Ing. (UoAS) Manager Simulator Development Siemens AG Erlangen, Germany

Ludger Küppers, Dipl.-Ing. Manager Simulator Projects Kraftwerksschule e.V. Essen, Germany

plates, additional displays and alarm sequence display, allowing the functionality and ergo-nomics of the HMI level to be examined. The ultimate test objectives are execution of fully automated startup and shutdown procedures using the unit control program, as well as typical load changes. The main aim of the tests is to verify the open-loop control func-tions (interlocks, step programs and sequen-tial control systems) as well as closed-loop control structures. Parameterization of the closed-loop control settings is only possible to a limited extent in the simulator environ-ment, because a balance has to be struck between development costs of the process model and simulation accuracy of the process dynamics.Virtual commissioning in a simulator envi-ronment offers many advantages, but a dis-tinction is drawn between retrofit projects in existing plants in which the I&C system determines the deadlines, and construction projects in which the process engineering is on the critical path.- When practical commissioning starts in a

power plant, a tested I&C configuration is available in which only a fraction of the dis-crepancies remain, which tend to be located normally in the I&C at this time. The DCS commissioning phase is shortened, because comprehensive fault analyses and correc-tions have already been performed in the simulator environment, and its duration can be assured.

- The future power plant operating personnel are involved in the testing performed during virtual commissioning. Then, when com-missioning starts in the power plant, they can refer to their experience of performing startup and shutdown procedures manually and using the unit control program on the simulator, so they are well prepared to sup-port real commissioning. When problems arise, it can then be determined quickly and easily whether the causes lie in the automa-tion, or rather in the field.

- Due to preliminary testing in the virtual environment, the engineering is largely completed before commissioning in the power plant starts, with the result that fewer plant and project personnel are required on the customer side and on the supplier side.

Simulators for virtual commissioning

17/2011

Simulatoren zur virtuellen Inbetriebnahme

2 VGB PowerTech 7/2011

– Durch die vorlaufenden Tests in der virtuel-len Umgebung wird das Engineering vor der IBS im Kraftwerk weitestgehend abge-schlossen, sodass zur IBS im Kraftwerk we-niger Personal seitens des Betriebs und der Projektabwicklung auf Kunden- und Liefe-rantenseite benötigt wird.

– Bei der virtuellen IBS können Funktions-tests zur Freigabe und Schutzabschaltung großer Mittelspannungskomponenten belie-big wiederholt werden, bis die gewünschten leittechnischen Funktionen sicher arbeiten. Bei der realen IBS werden diese Tests dann nur noch exemplarisch mit den Großantrie-ben zur Verifikation durchgeführt, sodass eine reduzierte Anzahl der Testfahrten im Kraftwerk zur Schonung der Komponenten führt.

– Der Test der Fail-Safe-Funktionen ist auf-wändig und setzt häufig den Betrieb von Zündbrennern und der Hauptfeuerung im Umleitbetrieb vor der Synchronisation des Generators mit dem Netz voraus. Diese Tests können in der virtuellen IBS vorab intensiv vorgenommen werden, sodass die-se Phase in der realen IBS in einer deutlich verkürzten Zeit durchlaufen werden und Betriebsmittel eingespart werden können.

– Geplante Prozessoptimierungen – zum Bei-spiel zur Blockflexibilisierung – können durch Einsatz von Simulatoren vor der Um-setzung im Kraftwerk vorab in der Simulator-umgebung analysiert und beurteilt werden.

– In der virtuellen IBS können extreme Anla-genzustände ohne Gefährdung der Anlage problemlos angefahren werden. Leittechni-sche Funktionen können somit auch in kri-tischen Anlagenzuständen gefahrlos belie-big oft und intensiv ausgetestet werden.

– Durch eine Vielzahl der vorlaufenden Tests, die in der realen IBS so nicht durchführbar wäre, werden die leitechnischen Funktionen verbessert, sodass eine signifikante Quali-tätssteigerung erreicht wird.

Weitere Vorteile treffen überwiegend auf Neu-bauprojekte zu:

– Es ist möglich, die Auslegung der Einzel-komponenten innerhalb des Gesamtprozes-ses vorzeitig zu prüfen und zu bewerten.

– Bei der Erstellung der Prozessmodelle wird intensiv mit der Planungsdokumentation gearbeitet. Durch Rückmeldung der dabei zum Beispiel in den R&I-Plänen erkannten Unklarheiten an das Hauptprojekt wird die Planungsdokumentation deutlich verbessert (KKS, einheitliche Rohrdurchmesser an Zeichnungsschnittstellen etc.).

Projektübersicht

Der Block D im Kraftwerk Neurath ist Teil des 2 x 600-MW-Braunkohle-Doppelblocks, der seit 1975 in Betrieb ist (B i l d 1 ). Die HLT

wurde seinerzeit in H&B Decontic (Steue-rung) und H&B Contronic 2 (Regelung) aus-geführt. Im Rahmen des Retrofitprojekts zur Blockflexibilisierung wurde die HLT durch das Leittechniksystem SPPA-T3000 der Sie-mens AG ersetzt. Die Verbesserung der Pri-mär- und Sekundärregelfähigkeit sowie eine deutliche Absenkung des Mindestlastpunkts zur Blockflexibilisierung waren die wesentli-chen Hauptziele des Modernisierungspro-jekts.

Die Vergabe hierzu erfolgte im Mai 2009, die Umsetzung für Block D im August 2010, und Block E wird 2011 modernisiert.

Zur Absicherung einer effizienten und erfolg-reichen Blockinbetriebnahme wurde im März 2010 von den Vertragspartnern RWE Power AG, Siemens AG und der KRAFTWERKS-SCHULE E.V. (KWS) entschieden, eine virtu-elle IBS der HLT vorlaufend an einer Simula-torplattform der KWS durchzuführen. Nach einer Projektdauer von nur sieben Monaten wurde die vorlaufende virtuelle IBS im Sep-tember 2010 abgeschlossen. Nach der IBS des Kraftwerksblocks wurde die Leittechnik-Kon-figuration auf den Simulator neu eingespielt, und die abschließenden komplexen kritischen Fahrweisen wie Kannlastversuche am Simula-tor wurden vor deren Durchführung im Kraft-werk überprüft.

Vorlaufende virtuelle IBS der HLT

Simula to rkonf igu ra t ion

In modernen Schulungssimulatoren kommen virtuelle Leitsysteme des HLT-Lieferanten zum Einsatz, die über eine Standard-Netzwerkver-bindung mit dem Simulationsrechner verbun-

Bild 1. RWE-Power-Kraftwerk Neurath (Quelle: RWE Power AG).

Bild 2. Simulatorkonfiguration – SPPA-T3000 vs. SPPA-S3000.

Fig. 1. RWE Power Plant Neurath (Source: RWE Power AG)

Fig. 2. Simulator configuration – SPPA-T3000 versus SPPA-S3000.

Simulatoren zur virtuellen Inbetriebnahme

2 VGB PowerTech 7/2011

– Durch die vorlaufenden Tests in der virtuel-len Umgebung wird das Engineering vor der IBS im Kraftwerk weitestgehend abge-schlossen, sodass zur IBS im Kraftwerk we-niger Personal seitens des Betriebs und der Projektabwicklung auf Kunden- und Liefe-rantenseite benötigt wird.

– Bei der virtuellen IBS können Funktions-tests zur Freigabe und Schutzabschaltung großer Mittelspannungskomponenten belie-big wiederholt werden, bis die gewünschten leittechnischen Funktionen sicher arbeiten. Bei der realen IBS werden diese Tests dann nur noch exemplarisch mit den Großantrie-ben zur Verifikation durchgeführt, sodass eine reduzierte Anzahl der Testfahrten im Kraftwerk zur Schonung der Komponenten führt.

– Der Test der Fail-Safe-Funktionen ist auf-wändig und setzt häufig den Betrieb von Zündbrennern und der Hauptfeuerung im Umleitbetrieb vor der Synchronisation des Generators mit dem Netz voraus. Diese Tests können in der virtuellen IBS vorab intensiv vorgenommen werden, sodass die-se Phase in der realen IBS in einer deutlich verkürzten Zeit durchlaufen werden und Betriebsmittel eingespart werden können.

– Geplante Prozessoptimierungen – zum Bei-spiel zur Blockflexibilisierung – können durch Einsatz von Simulatoren vor der Um-setzung im Kraftwerk vorab in der Simulator-umgebung analysiert und beurteilt werden.

– In der virtuellen IBS können extreme Anla-genzustände ohne Gefährdung der Anlage problemlos angefahren werden. Leittechni-sche Funktionen können somit auch in kri-tischen Anlagenzuständen gefahrlos belie-big oft und intensiv ausgetestet werden.

– Durch eine Vielzahl der vorlaufenden Tests, die in der realen IBS so nicht durchführbar wäre, werden die leitechnischen Funktionen verbessert, sodass eine signifikante Quali-tätssteigerung erreicht wird.

Weitere Vorteile treffen überwiegend auf Neu-bauprojekte zu:

– Es ist möglich, die Auslegung der Einzel-komponenten innerhalb des Gesamtprozes-ses vorzeitig zu prüfen und zu bewerten.

– Bei der Erstellung der Prozessmodelle wird intensiv mit der Planungsdokumentation gearbeitet. Durch Rückmeldung der dabei zum Beispiel in den R&I-Plänen erkannten Unklarheiten an das Hauptprojekt wird die Planungsdokumentation deutlich verbessert (KKS, einheitliche Rohrdurchmesser an Zeichnungsschnittstellen etc.).

Projektübersicht

Der Block D im Kraftwerk Neurath ist Teil des 2 x 600-MW-Braunkohle-Doppelblocks, der seit 1975 in Betrieb ist (B i l d 1 ). Die HLT

wurde seinerzeit in H&B Decontic (Steue-rung) und H&B Contronic 2 (Regelung) aus-geführt. Im Rahmen des Retrofitprojekts zur Blockflexibilisierung wurde die HLT durch das Leittechniksystem SPPA-T3000 der Sie-mens AG ersetzt. Die Verbesserung der Pri-mär- und Sekundärregelfähigkeit sowie eine deutliche Absenkung des Mindestlastpunkts zur Blockflexibilisierung waren die wesentli-chen Hauptziele des Modernisierungspro-jekts.

Die Vergabe hierzu erfolgte im Mai 2009, die Umsetzung für Block D im August 2010, und Block E wird 2011 modernisiert.

Zur Absicherung einer effizienten und erfolg-reichen Blockinbetriebnahme wurde im März 2010 von den Vertragspartnern RWE Power AG, Siemens AG und der KRAFTWERKS-SCHULE E.V. (KWS) entschieden, eine virtu-elle IBS der HLT vorlaufend an einer Simula-torplattform der KWS durchzuführen. Nach einer Projektdauer von nur sieben Monaten wurde die vorlaufende virtuelle IBS im Sep-tember 2010 abgeschlossen. Nach der IBS des Kraftwerksblocks wurde die Leittechnik-Kon-figuration auf den Simulator neu eingespielt, und die abschließenden komplexen kritischen Fahrweisen wie Kannlastversuche am Simula-tor wurden vor deren Durchführung im Kraft-werk überprüft.

Vorlaufende virtuelle IBS der HLT

Simula to rkonf igu ra t ion

In modernen Schulungssimulatoren kommen virtuelle Leitsysteme des HLT-Lieferanten zum Einsatz, die über eine Standard-Netzwerkver-bindung mit dem Simulationsrechner verbun-

Bild 1. RWE-Power-Kraftwerk Neurath (Quelle: RWE Power AG).

Bild 2. Simulatorkonfiguration – SPPA-T3000 vs. SPPA-S3000.

Project overview

- During virtual commissioning, function tests on medium-voltage components that involve enabling and protection switch-off can be repeated as many times as necessary until the required I&C functions operate reliably. During actual commissioning, these tests are then only performed on indi-vidual examples of the large drives (for ver-ification purposes), so fewer test runs in the power plant result in less wear for the components.

- Testing of the failsafe functions is time-con-suming, and it is often necessary to operate pilot burners and main combustion units in bypass mode before the generator is syn-chronized with the network. These tests can be conducted intensively in advance during virtual commissioning so that, during real commissioning, this phase can be completed in a much shorter time and savings can be made in terms of consumables.

- Planned process optimization – for example, for unit flexibility – can be analyzed and assessed in advance in the simulator envi-ronment before implementation in the power plant.

- During virtual commissioning, extreme plant operation conditions can be unprob-lematically approached without endanger-ing the plant. I&C functions can therefore also be tested under critical plant conditions as frequently and as intensively as required.

- In a multitude of preliminary tests that could not be performed in the same way during real commissioning, the I&C functions are enhanced to the extent that a significant increase in quality is achieved.

Unit D in the Neurath power plant is part of the 2 x 600 MW soft-coal-fired twin unit that has been in operation since 1975 (Fig. 1). The DCS was designed at that time with H&B Decontic (open-loop control) and H&B Con-tronic 2 (closed-loop control). In the context of the retrofit project for unit flexibility, the

Further advantages mainly concern construc-tion projects:- It is possible to test and evaluate the design

of single components in advance within the overall process.

- Planning documentation is used intensively during creation of the process models. Feed-back to the main project, regarding for example inconsistencies in the P&I dia-grams (e.g. KKS power plant identification system codes, diameter of a pipe in different drawings), improves the planning documen-tation considerably.

Simulators for virtual commissioning

Advance virtual commissioning of the DCS

Simulator configurat ion In modern training simulators, virtual I&C systems from the DCS supplier are used; they are connected to the simulation computer via a standard network link in which all the pro-cess areas and electrical plant areas are simu-lated in process models (Fig. 2).

DCS was replaced with the SPPA-T3000 Control System from Siemens AG. The main objectives of the modernization project were to enhance primary and secondary control performance, as well as to significantly lower the minimum load for unit flexibility.The contract was awarded in May 2009, implementation for Unit D took place in August 2010, and Unit E was modernized in 2011. In March 2010, to ensure efficient and suc-cessful commissioning of the unit, the con-tracting parties RWE Power AG, Siemens AG and KRAFTWERKS¬SCHULE E.V. (KWS) decided to perform virtual commissioning of the DCS in advance on a simulator platform of KWS. After a project run time of only seven months, advance virtual commission-ing was completed in September 2010. Fol-lowing commissioning of the power plant unit, the I&C configuration was loaded to the simulator, and the final, complex, critical operations (such as load limit operation) were checked on the simulator before they were performed in the power plant.

HMI

Power Plant Process

Automation

Field interfacing

SPPA-T3000 Control System SPPA-T3000 Simulator

Functionally identical

2 7/2011

Fig. 3. Virtual commissioning at KWS.

At the operator control and monitoring level, the virtual I&C system SPPA-S3000 com-prises original workstation components as they are deployed in the power plant. Process flow diagrams from the reference plant, as well as operator control and monitoring func-tions, can therefore be used in the simulator environment in full, and true to the original.The original SPPA-T3000 application soft-ware is executed on the server computers in a non-redundant configuration (application server ApS) which supports the complete engineering functional scope in addition to the operator control and monitoring functions.In contrast to the real plant, the original auto-mation processors are not used at the automa-tion level here. Their functions are emulated on a high-performance server computer (emulation server, EmuS). The automation configuration is loaded into these processors that are simulated by software, and inter-preted by them such that the emulated auto-mation in the simulator environment responds to the process models in the same way that the original automation system in the power plant responds to the real plant. This emula-tion concept for the automation system, in which the automation is reflected unchanged in the simulator, places exacting demands on the process models.Field interfacing between the automation and the fully simulated sensors and actuators in the process models is performed over a stan-dard network connection, via which all input and output signals are exchanged ten times per second.The process models for simulating the power plant areas are executed on the simulation server. The interface between the simulation computer and the virtual I&C system has the same signal scope as the field interface in the power plant, and data is exchanged over a standard gigabit network connection.Overall control of the simulator is conducted at a training desk on which, in particular, operating states can be loaded in order to run tests several times, and all interface signals of the simulated field interface can be overwritten.The process models for the unit were gener-ated for virtual commissioning based on the well-proven process models of the KWS training simulator for 600 MW soft-coal-fired power stations (reference plant Niederaussem Unit G) by KWS system engineers, with the support of employees of the simulator manu-facturer GSE Power Systems AB. Team Virtual commissioning was performed in a partnership comprising RWE Power AG, Siemens AG and KWS on one simulator plat-

form, or in parallel on two. The tests for the process models were prepared by the KWS systems engineers with support from GSE system engineers. During testing, RWE Power AG was repre-sented by an I&C engineer, a process engi-neer and a shift manager; Siemens AG was represented by an I&C engineer and a sys-tems engineer for the virtual I&C system. KWS was represented by a simulator training instructor and a systems engineer (Fig. 3). Resul ts – Test ing the HMI/automa-t ion system During virtual commissioning, a total of twelve copies of the I&C configuration were loaded onto the simulator platform from the reference power plant. At the start of virtual commissioning, individual functional com-plexes were tested by RWE Power AG, Sie-mens AG and KWS in collaboration. Later, the startup procedure was run through repeat-edly using the unit control program.When undesired modes of operation were observed, they were documented in the form of screen dumps and brief problem descrip-tions, and passed on to the responsible I&C engineer on site in Neurath for processing. The processing status was documented and tracked, with the result that all the known problems were completely dealt with by the end of virtual commissioning.Various problems were detected at the indi-vidual levels in the I&C system hierarchy.At the HMI level, incorrect and contradictory power plant identification codes (KKS) and text descriptions were put right in the process flow diagrams and in the faceplates. The positioning of measured value displays was optimized and some operating components had to be reassigned to the correct faceplates.In a workshop for the operating personnel of Neurath power plant Unit D, individual pro-cess flow displays were revised to optimize process control, independently of the virtual commissioning. In the automation for the individual control, group control and unit control levels, typical problems were identified that were already

familiar from previous real plant commis-sioning cases, such as missing or incorrect process-enable signals and automatic com-mands from higher levels in the control hier-archy. Interlocks that caused the mutual blocking of drives and automation compo-nents were corrected. Automatic functions at the group control level that failed to activate the unit control program automatically were detected and correctly integrated into the command structure of the unit control program.Emphasis was placed on the testing of protec-tion device tripping, in order to ensure that the defined protection criteria reliably resulted in tripping and that incorrect tripping caused by engineering mistakes was pre-vented, for example where control variables were also used as protection criteria. The tests also involved exhaustive examination of the failsafe functions.The functionality of automatic processes and step programs was tested until they ran with-out any manual intervention and until the cri-teria for the operating or standstill condition were scanned correctly in the final step.Group controls without the required restart capability were identified and corrected.In field interfacing, incorrectly configured measuring ranges and units were identified and missing connections between the hard-ware proxy and associated software blocks were detected. Measured value compensation calculations were reparameterized correctly. For both normally closed and normally open circuit connections, incorrect signal inver-sions were detected and corrected.During the tests, those areas were also identi-fied in which, after the technical meetings still a difference of opinion remained between the customer and the responsible I&C engi-neer at Siemens AG, or where both sides had agreed on the same implementation, but this proved incorrect in simulator tests. In these cases, intensive discussions were held in the form of technical meetings during the virtual commissioning phase; they ultimately pro-duced the correct I&C implementation. Virtual commissioning requires that the I&C configuration be loaded at an early stage from the development server into the runtime envi-ronment of the simulator that functions in exactly the same manner as the fully installed and equipped I&C cabinets, including appli-cation server, switchgear and field devices. Problems in the I&C configuration were detected at an early stage and rectified. In one case, it was possible to prevent incorrect wir-ing in the field. In the simulator runtime envi-ronment, overloaded automation processors were identified and relieved by redistributing tasks to other automation processors.

Simulators for virtual commissioningSimulatoren zur virtuellen Inbetriebnahme

VGB PowerTech 7/2011 3

den sind, auf dem alle verfahrenstechnischen und elektrischen Anlagenbereiche in Prozess-modellen nachgebildet sind (B i l d 2 ).

Das virtuelle Leitsystem SPPA-S3000 besteht in der Bedien- und Beobachtungsebene aus original Bedienplatzkomponenten, wie sie auch im Kraftwerk eingesetzt werden. Alle Fließbilder aus der Referenzanlage sowie alle Bedien- und Beobachtungsfunktionen sind so-mit vollständig und originalgetreu in der Si-mulatorumgebung nutzbar.

Auf den nicht redundant ausgeführten Server-rechnern (Applikationsserver ApS) wird die original SPPA-T3000-Anwendungssoftware ausgeführt, die neben der Bedien- und Beob-achtungsfunktion auch die vollständige Engi-neeringfunktionalität unterstützt.

Im Unterschied zur Realanlage werden auf der Automatisierungsebene nicht die oiginal Au-tomatisierungsprozessoren genutzt. Vielmehr werden diese in ihrer Funktion auf einem leis-tungsstarken Serverrechner (Emulationsserver EmuS) nachgebildet. Die Automatisierungs-konfiguration wird in diese softwaremäßig nachgebildeten Prozessoren geladen und von diesen interpretiert, sodass sich die emulierte Automatisierung in der Simulatorumgebung gegenüber den Prozessmodellen so verhält wie die original Automatisierung im Kraft-werk gegenüber der Realanlage. Dieser Emu-lationsansatz der Automatisierung, bei dem die Automatisierung unverändert in den Simu-lator übernommen wird, stellt höchste Anfor-derungen an die Prozessmodelle.

Die Feldanbindung der Automatisierung an die vollständig in den Prozessmodellen nach-gebildete Sensorik und Aktorik erfolgt über eine Standard-Netzwerkverbindung, auf der zehnmal pro Sekunde alle Ein- und Ausgabe-signale ausgetauscht werden.

Auf dem Simulationsserver werden die Pro-zessmodelle zur Nachbildung der Kraftwerks-anlagenbereiche ausgeführt. Die Schnittstelle zwischen Simulationsrechner und virtuellem Leitsystem entspricht im Signalumfang der Feldanbindung im Kraftwerk, wobei der Da-tenaustausch über eine Standard-Gigabit-Netzwerkverbindung erfolgt.

Die Steuerung des gesamten Simulators erfolgt über eine Ausbilderpultstation, über die insbe-sondere auch Betriebszustände zum mehrmali-gen Durchfahren von Tests geladen und alle Interface-Signale der simulierten Feldanbin-dung überschrieben werden können.

Die Prozessmodelle für den Block wurden für die virtuelle IBS ausgehend von den bewähr-ten Prozessmodellen des KWS-Schulungssi-mulators für 600-MW-Braunkohlekraftwerke, Referenzanlage Kraftwerk Niederaußem Block G, von KWS-Systemingenieuren mit Unterstützung der Mitarbeiter des Simulator-herstellers GSE Power Systems AB erstellt.

Team

Die virtuelle IBS wurde bei der KWS partner-schaftlich von RWE Power AG, Siemens AG und KWS auf einer bzw. parallel auf zwei Si-mulatorplattformen durchgeführt.

Die Tests für die Prozessmodelle wurden von den KWS-Systemingenieuren mit Unterstüt-zung von GSE-Systemingenieuren vorberei-tet.

Bei der Durchführung der Tests waren RWE Power AG mit einem Leittechniker, einem Verfahrenstechniker und einem Schichtführer, Siemens AG mit einem Funktionsbereichver-antwortlichen und einem Systemingenieur für das virtuelle Leitsystem und die KWS mit ei-nem Simulatorausbilder und einem Systemin-genieur vertreten (B i l d 3 ).

E rgebn i s se – P r ü fung de r Bed ienung und Beobach tung /Automat i s i e r ung

Während der virtuellen IBS wurden insgesamt zwölf Abzüge der Leittechnik-Konfiguration aus dem Referenzkraftwerk auf die Simulator-plattform übernommen. Zu Beginn der virtu-ellen IBS wurden einzelne Funktionsbereiche gemeinsam von RWE Power AG, Siemens AG und der KWS getestet. Später wurde anhand des Blockleitprogramms der Ablauf eines An-fahrvorgangs wiederholt durchfahren.

Beobachtete unerwünschte Funktionsweisen wurden anhand von Bildschirmausdrucken mit kurzen Problembeschreibungen dokumen-tiert und zur Bearbeitung an die Funktionsbe-reichsverantwortlichen auf der Baustelle in Neurath weitergeleitet. Der Bearbeitungsstand wurde dokumentiert und verfolgt, sodass am Ende der virtuellen IBS alle beschriebenen Probleme abschließend bearbeitet waren.

In den einzelnen Hierarchieebenen des Leit-systems wurden unterschiedliche Problemty-pen erkannt.

In der Bedien- und Beobachtungsebene wur-den auf den Fließbildern und in den Bedien-windows falsche und uneinheitliche Anlagen-kennzeichen (KKS) und Textbeschreibungen korrigiert. Die Positionierung von Messwert-darstellungen wurde optimiert. In Einzelfällen waren Bedienkomponenten falsche Bedien-windows zugeordnet.

Eine Überarbeitung einzelner Fließbilddar-stellungen zur optimierten Prozessführung erfolgte unabhängig von der virtuellen IBS in einem Workshop mit dem Bedienpersonal von KW Neurath Block D.

In der Automatisierung der Einzel- bzw. Gruppenleit- und Blockleitebene wurden typi-sche aus realen Inbetriebsetzungen bekannte Probleme wie fehlende bzw. falsche Prozess-freigabesignale und Automatikbefehle aus übergeordneten Leitebenen identifiziert. Ver-riegelungen, durch die sich Antriebe und Au-tomatikkomponenten gegenseitig blockierten, wurden korrigiert. Automatiken der Gruppen-leitebene, die das Blockleitprogramm nicht automatisch startete, wurden erkannt und kor-rekt in die Befehlstruktur des Blockleitpro-gramms eingebunden.

Ein Schwerpunkt lag in der Prüfung von Schutzauslösungen, um sicherzustellen, dass die definierten Schutzkriterien sicher zu Schutzauslösungen führen und dass fehlerhaf-te Schutzauslösungen durch falsches Enginee-ring vermieden werden, zum Beispiel wenn Regelgrößen gleichzeitig als Schutzkriterien genutzt werden. Die Tests umfassten ebenfalls die zeitintensive Prüfung der Fail-Safe-Funk-tionen.

Die Funktion von Betriebsautomatiken und Schrittprogrammen wurde solange geprüft, bis diese fehlerfrei und ohne Handeingriffe automatisch abliefen und im letzten Schritt die Kriterien für den Betriebs- bzw. Stillstandszu-stand korrekt abgefragt wurden.

Gruppensteuerungen, die nicht wie gefordert nachstartfähig waren, wurden identifiziert und korrigiert.

Im Bereich der Feldanbindung wurden falsch konfigurierte Messbereiche und Einheiten identifiziert sowie fehlende Verbindungen zwischen Hardware-Proxy und zugehörigen Software-Bausteinen aufgedeckt. Messwert-korrekturrechnungen wurden korrekt parame-triert. Bei Ruhestrom- und Arbeitsstrom-An-bindungen wurde falsche Signalinvertierun-gen erkannt und korrigiert.

Im Rahmen der Tests wurden auch die Berei-che identifiziert, in denen nach den Systemge-sprächen noch ein unterschiedliches Verständ-nis zwischen dem Auftraggeber und dem Funktionsbereichverantwortlichen der Sie-mens AG bestand oder in denen beide Seiten eine einvernehmliche Umsetzung vereinbart hatten, die sich aber am Simulator als falsch herausstellte. Hier wurden bereits während der virtuellen IBS, im Sinn eines Systemge-sprächs am Objekt, intensive Diskussionen geführt, die dann zur richtigen leittechnischen Umsetzung führten.

Die virtuelle IBS bedingt, dass die Leittech-nikkonfiguration bereits frühzeitig vom Ent-wicklungsserver in die Runtime-Umgebung

Bild 3. Virtuelle IBS bei der KWS.

37/2011

Figures for vir tual commissioning During virtual commissioning, a total of 516 inconsistencies were detected, documented and dealt with. On completion of commis-sioning, these findings were analyzed and grouped in the following categories: - Findings in the engineering for the individ-

ual control, group control and unit control levels: 35 %

- Findings at the HMI level: 10 %- Findings requiring clarification between

RWE Power AG and Siemens AG: 11 % - Findings in the system configuration that

were caused mainly by the early code import: 44 %

When it is taken into account that, during commissioning in the power plant, the delays were caused mainly by wiring problems in the field and process engineering, I&C com-missioning in the power plant was in fact-completed within just five days.Test ing complex plant operat ions af ter commissioning in the power plantOn November 23, 2009, before virtual com-missioning was planned in detail, the dynamic response of Neurath Unit D was tested “on the fly” with regard to primary and secondary frequency control on the existing simulator for Niederaussem Unit G adapted for these trials by KWS. These trials provided valuable pointers at an extremely early stage for designing the frequency control and dimen-sioning the replacement components required for unit flexibility, such as the condensate control valve.On completion of commissioning in the power plant, the automation system code was transferred to the simulator environment again. It was verified in final startup and shut-down tests that no new (as yet undiscovered) problems had occurred due to the configura-tion changes made during commissioning.Critical plant operations, such as shutdown due to a fault under differing load limit condi-tions, were tested for all monitored compo-nents. In just three days of test operation, twelve different load limit cases were investi-gated and evaluated. The results of these tests on the simulator were then utilized before the load limit tests were actually executed in the real plant. Using the s imulator to val idate changes during operat ionIn the course of the project for virtual com-missioning at Neurath, it was possible to suc-cessfully test another aspect of the simulator. After the open and closed-loop control of the feedwater turbine (SPAT) had been fully commissioned, RWE personnel identified further potential for optimization of open and closed-loop control following a period of nor-mal operation. This was discussed by RWE

Power AG and Siemens AG and was tested and validated on the simulator first. If this had not been done, plant failure would have resulted during implementation and commissioning.

Simulators for virtual commissioning

Using simulators in new construction projects

Simulatoren zur virtuellen Inbetriebnahme

4 VGB PowerTech 7/2011

des Simulators übernommen wird, die in ihrer Funktion den fertig aufgestellten und bestück-ten Leittechnikschränken einschließlich Ap-plikationsserver, Schaltanlage und Feldgeräte entspricht. Probleme in der Leittechnikkonfi-guration wurden früh erkannt und behoben. In einem Fall konnten Fehlverdrahtungen im Feld vermieden werden. In der Simulator-Runtime-Umgebung wurden überlastete Au-tomatisierungsprozessoren identifiziert und durch Verteilung auf andere Automatisie-rungsprozessoren entlastet.

Vi r tue l l e IBS in Zah len

Während der virtuellen IBS wurden insgesamt 516 Unstimmigkeiten erkannt, dokumentiert und bearbeitet. Nach Abschluss der IBS wur-den diese Erkenntnisse analysiert und in fol-gende Kategorien klassifiziert:

– Erkenntnisse im Engineering der Einzel-, Gruppenleit- und Blockleitebene 35 %

– Erkenntnisse in der Bedien- und Beobach-tungsebene 10 %

– Erkenntnisse mit Klärungsbedarf zwischen RWE Power AG und Siemens AG 11 %

– Erkenntnisse in der Systemkonfiguration, die insbesondere durch den frühen Code-Import bedingt waren 44 %

Wird berücksichtigt, dass bei der IBS im Kraftwerk überwiegend Verdrahtungsproble-me im Feld und die Verfahrenstechnik zu Ver-zögerungen geführt haben, konnte die leittech-nische IBS im Kraftwerk de facto innerhalb von nur fünf Tagen abgeschlossen werden.

Tes t komplexe r Fahrwe i sen nach IBS im Kra f twerk

Schon vor der konkreten Planung der virtuel-len IBS wurde am 23. November 2009 das dynamische Verhalten von Neurath Block D hinsichtlich der primären und sekundären Fre-quenzregelung an dem bestehenden und „on the fly“ von KWS für diese Versuche ange-passten Simulator von Niederaußem Block G durchgeführt. Diese Versuche gaben schon sehr früh wertvolle Hinweise für die Struktu-rierung der Frequenzregelung und für die Aus-legung von für die Blockflexibilisierung aus-zutauschenden Komponenten wie dem Kon-densatregelventil.

Nach Abschluss der IBS im Kraftwerk wurde der Automatisierungscode nochmals auf die Simulatorumgebung übertragen. In An- und Abfahrvorgängen wurde abschließend verifi-ziert, ob durch Konfigurationsänderungen während der IBS neue, in der Anlage noch nicht erkannte Probleme auftraten.

Kritische Betriebsweisen wie Störabfahren in unterschiedlichen Kannlastfällen wurden für alle überwachten Komponenten geprüft. Ins-gesamt wurden in nur drei Tagen Testbetrieb zwölf unterschiedliche Kannlastfälle unter-sucht und ausgewertet. Die Ergebnisse aus diesen Versuchen am Simulator konnten nun

vor der Durchführung der Kannlastfälle an der realen Anlage umgesetzt werden.

Nu tzung des S imula to r s zu r Va l id i e r ung von Änder ungen im Be t r i eb

Noch im Lauf des Projekts der virtuellen IBS von Neurath konnte ein weiterer Aspekt des Simulators positiv getestet werden. Nach er-folgter IBS der Steuerung und Regelung der Speisepumpenturbine (SPAT) wurde vom RWE-Personal nach einiger Betriebszeit wei-teres Optimierungspotenzial an Steuerung und Regelung identifiziert. Diese Optimie-rung wurde zwischen RWE Power AG und Siemens AG besprochen und zuerst am Simu-lator positiv getestet bzw. validiert. Ohne die-se Vorgehensweise wäre bei der Umsetzung und Inbetriebnahme ein Anlagenausfall zu verzeichnen gewesen.

Simulatoreinsatz bei Neubauprojekten

KWS wickelt zurzeit zwei weitere Simulator-projekte ab, bei denen die Erstellung der Si-mulatoren parallel zum Bau der Referenz-kraftwerke mit dem Ziel erfolgt, dass die Ba-sisvarianten dieser Simulatoren bereits wäh-rend der IBS der Referenzkraftwerke schulungsbereit sind, um das Bedienpersonal bereits vor Beginn des kommerziellen Be-triebs zu schulen.

– Der Simulator für Braunkohlekraftwerke, Variante RWE-Power-Kraftwerk Neurath Block G (BoA3), 1100 MW, wird im De-zember 2011 vor dem kommerziellen Be-trieb der BoA3 schulungsbereit sein, wobei eine Vorabversion bereits Mitte 2011 für Basisschulungen zur Verfügung steht. Diese Simulatorvariante wird auf derselben Simu-latorplattform betrieben, auf der seit Okto-ber 2009 bereits die Variante Niederaußem Block G betrieben wird.

– Der Simulator für Steinkohlekraftwerke bil-det den neuen 800-MW-Block D im RWE-Power-Kraftwerk Westfalen nach (B i l d 4 ). Der Simulator wird im Oktober 2011 auf zwei Trainingsplattformen schulungs-bereit sein, sodass Simulatortraining nicht nur für das Bedienpersonal der Doppel-blockanlage im Kraftwerk Westfalen, son-dern zeitgleich auch für das Personal der anderen in Bau befindlichen 800-MW-Steinkohlekraftwerke in Deutschland und den Niederlanden ab diesem Zeitpunkt ge-nutzt werden kann.

In den neuen Trainingssimulatoren kommt ebenfalls das virtuelle Leitsystem SPPA-S3000 zum Einsatz. Probleme, die während der Integrationsphase der Simulatoren mit dem virtuellen Leitsystem in der Bedien- und Beobachtungsebene und der Automatisierung auffallen, werden auch hier an Siemens AG zur Bearbeitung weitergeleitet, um zum Zeit-punkt der Schulungsbereitschaft eine fehler-freie Leittechnikkonfiguration im Simulator verfügbar zu haben.

Fazit

Die Erfahrungen, die bei der vorlaufenden vir-tuellen IBS der HLT für den Block D im Kraftwerk Neurath gemacht wurden, bestäti-gen den von RWE Power AG, Siemens AG und KWS eingeschlagenen Weg, Simulatoren vor-laufend zur IBS im Kraftwerk bei Modernisie-rungs- und Retrofitprojekten einzusetzen, um die effektive Zeit zur IBS der HLT in der rea-len Anlage zu verkürzen und damit das Ge-samtrisiko der Modernisierungsmaßnahme abzusichern, um mit dem Kraftwerksblock zum geplanten Zeitpunkt den Netzbetrieb auf-zunehmen. Die Qualität der leittechnischen Funktionen konnte verbessert werden, sodass von Beginn an ein sichererer Betrieb des Kraftwerksblocks erreicht wurde.

Bild 4. RWE-Power-Kraftwerk Westfalen Block D&E (Quelle: RWE Power AG/Envi Con & Plant Engineering GmbH).

Fig. 4. Units D and E, RWE Power Westfalen (Source: RWE Power AG/Envi Con & Plant Engineering GmbH).

KWS is currently handling two other simula-tor projects in which the simulators are being created in parallel with construction of the reference power plant. This will ensure that the basic variants of these simulators will be ready for training purposes during commis-sioning of the reference power plants, and that the operating personnel can be trained before commercial operation starts.- The simulator for soft-coal-fired power stations (variant for RWE Power Plant Neurath Unit G (BoA3) 1100 MW) will be ready for training in December 2011 before commercial operation of BoA3, and a preliminary version will be available as early as mid-2011 for basic training. This simulator variant will be operated on the same simulator platform on which the variant for Niederaussem Unit G has been operating since 2009. - The simulator for hard-coal-fired power plants replicates the new 800 MW Unit D in the Westfalen generating station of RWE Power (Fig. 4). The simulator will be ready for training on two platforms in October 2011. Simulator training will therefore be available for the operating personnel of the twin-unit system in the Westfalen power plant from that date, as well as for the personnel of the other 800 MW hard-coal- fired power plants under construction in Germany and the Netherlands.

The experience gained with preliminary vir-tual commissioning of the DCS for Unit D in the Neurath power plant confirms the path chosen by RWE Power AG, Siemens AG and KWS in performing advance commissioning in power plants, using simulators in modern-ization and retrofit projects with the aim of shortening the effective commissioning time for the DCS in the real plant. This conse-quently limits the total risk involved in mod-ernization, with the result that the power plant unit can begin operating on the grid at the planned time. It proved possible to improve the quality of the I&C functions to such an extent that reliable operation of the power plant unit was achieved right from the start.

Conclusion

The virtual I&C system SPPA-S3000 is also used in the new training simulators. Problems detected at the HMI level and at the automa-tion level (during integration of the simula-tors with the virtual I&C system) are passed on to Siemens AG to ensure that an error-free I&C configuration is available in the simula-tor when training starts.

4 7/2011

Translation of an article from VGB PowerTech 7/2011 Copyright 2011 by VGB PowerTech Service GmbH

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