SISTEMA DI CONTROLLO DISTRIBUITO DI UN IMPIANTO DI PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA DA RIFIUTI NON PERICOLOSI

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1 SISTEMA DI CONTROLLO DISTRIBUITO DI UN IMPIANTO DI PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA DA RIFIUTI NON PERICOLOSI s.d.i. automazione industriale ha fornito e messo in servizio nell anno 2003 il sistema di controllo distribuito per il nuovo impianto di produzione di energia elettrica da rifiuti non pericolosi (CDR Combustibile Derivato dai Rifiuti) della BAS di Bergamo. Il sistema è un DCS (Distributed Control Sistem) che copre le esigenze di automazione e conduzione dell intero impianto: esso è basato su controllori di tipologia mista (PLC e SoftPLC su PC) ed acquisizione da bus di campo con distribuzione dell I/O su due livelli (ProfibusDP e Profibus AS). L interfaccia operatore è realizzata con stazioni SCADA/HMI connesse al DCS su rete ridondata Ethernet TCP/IP. Il sistema è stato realizzato impiegando il prodotto expert di s.d.i. automazione industriale che comprende il software SCADA/HMI, le funzioni di configurazione (expert development tools), i nodi SoftPLC ridondanti e le funzioni di acquisizione da PROFIBUS. Per i PLC ed i nodi Profibus sono stati utilizzati i prodotti SIEMENS della serie SIMATIC. s.d.i. automazione industriale ha inoltre implementato tutte le funzioni di regolazione e gli automatismi necessari al funzionamento dell impianto. Il Cliente e l Impianto La BAS (Bergamo Ambiente e Servizi), azienda municipalizzata di Bergamo, fornisce i servizi acqua, gas, pubblica illuminazione, depurazione acque ed incenerimento rifiuti. L impianto ha una potenzialità di 11MW lordi (9,5 MW netti), per una produzione annua di energia elettrica pari a di kwh. Il combustibile utilizzato, proveniente dal bioessicatore, ammonta a t/anno; viene inoltre impiegato, come combustibile addizionale, il biogas prodotto dalla digestione anaerobica dei fanghi biologici e della frazione organica. s.d.i. automazione industriale Case History : DCS Centrale BAS Bergamo pag 1

2 L impianto è composto da una linea di produzione del vapore costituita da un forno a letto fluido bollente e da una caldaia a recupero. Il CDR (combustibile da rifiuti) viene movimentato mediante carroponte, nastri ed elevatori fino all ingresso nella camera di combustione. In coda al generatore di vapore è installata la linea di trattamento fumi, composta da due filtri a maniche in serie. Al termine della linea è installato un sistema DeNOx di tipo catalitico. Il vapore prodotto dalla caldaia, viene conferito alla valvola di ammissione di una turbina multistadio a condensazione, accoppiata ad un alternatore di tipo sincrono trifase. L energia prodotta alla tensione di 15KV viene consegnata ad un elettrodotto della rete elettrica nazionale, a 132KV, previa trasformazione effettuata nella sottostazione elettrica collegata all impianto. Struttura del sistema di controllo L impianto è controllato da un DCS composto da 4 isole di automazione principali, realizzate utilizzando tecnologie eterogenee; due di esse sono costituite infatti da nodi SoftPLC ridondanti (prodotto s.d.i. expert SoftPLC), una da una rete di PLC Siemens, la quarta da un PLC in configurazione duale fail safe. Le 4 isole di automazione controllano rispettivamente: gli impianti di produzione del vapore e trattamento fumi l impianto turbina e ciclo termico la sezione elettrica le funzioni di ESD I controllori sono tra loro interfacciati ed integrati, soprattutto per quanto riguarda la comunicazione con il sistema di Emergency Shut Down; tutti i sistemi afferiscono a 2 stazioni SCADA/HMI che realizzano le stazioni per gli operatori di impianto. Sono inoltre presenti una stazione di archiviazione, una stazione dedicata alle funzioni di manutenzione di impianto, una stazione di archivio documentazione. Sulla rete di sistema è inoltre connessa la stazione di configurazione (expert development) s.d.i. automazione industriale Case History : DCS Centrale BAS Bergamo pag 2

3 La rete di collegamento dei quadri di raccolta segnale distribuiti nell impianto è realizzata su due livelli; bus di acquisizione basato su PROFIBUS AS e livello immediatamente superiore su PROFIBUS DP ridondante in fibra ottica. A livello delle reti profibus vengono utilizzate sia schede di I/O direttamente connesse ai nodi di interfaccia SIEMENS IM153 che sottoreti Profibus AS che utilizzano moduli di I/O Asi: esse vengono gestite in due distinte tipologie di quadro: quadri MCC (Motor Control Center): dotati di cassetti con I/O dedicato ad utenze quali motori e valvole motorizzate; quadri RIO (Remote I/O): dotati di schede di acquisizione e comando di strumenti installati in campo. Le reti PROFIBUS DP afferiscono sia a controllori SoftPLC realizzati su PC in configurazione duale che a PLC. I nodi SoftPLC s.d.i. automazione interfacciano altresì tramite il protocollo MODBUS i quadri di controllo turbina ed i quadri BMS. Le reti PROFIBUS sono realizzate, a seconda del contesto, in fibra ottica o in rame. I 2 nodi SoftPLC ridondati, sono dedicati all automazione degli impianti di produzione del vapore, trattamento fumi, della turbina e del ciclo termico. Le isole di automazione basate su PLC Siemens sono state impegate per il controllo della sezione elettrica e per le funzioni di Emergency Shutdown (protezioni e blocchi); utilizzando in quest ultimo caso un PLC in configurazione duale fail safe. Tutti i controllori sono a loro volta connessi alle stazioni SCADA/HMI ed alle stazioni di archiviazione, manutenzione e documentazione impiantistica su LAN Ethernet TCP/IP ridondata. 1.2 Funzioni di diagnostica e asset management integrate La stazione di manutenzione è impiegata per gestire, relativamente alle attrezzature di impianto: manutenzione preventiva manutenzione statistico predittiva richieste di intervento straordinarie s.d.i. automazione industriale Case History : DCS Centrale BAS Bergamo pag 3

4 emissione e schedulazione degli ordini di lavoro gestione dei magazzini locali all impianto Le funzioni di manutenzione e asset management interagiscono con il sistema SCADA prelevando i valori dei contatori relativi alle ore di funzionamento dei motori presenti in impianto, che vengono utilizzati per la pianificazione delle attività di manutenzione preventiva. Per ogni motore/valvola vengono definite le attività di manutenzione necessarie ed impostata sia una schedulazione basata sul calendario che sulle ore di funzionamento dell apparato. La schedulazione delle attività di manutenzione viene effettuata interattivamente dal responsabile della manutenzione che richiede al sistema l elenco delle attività previste per il periodo di pianificazione desiderato. Il sistema, sulla base delle letture effettuate da SCADA e in base alle scadenze di calendario, visualizza le attività di manutenzione previste, il cui dettaglio di schedulazione viene affinato dal responsabile stesso, dando infine luogo all emissione degli ordini di lavoro. Le misure di impianto interessanti per la diagnostica dello stato di funzionamento degli apparati possono essere impiegate per funzioni di analisi nell ambito della manutenzione statistico predittiva. Tali funzioni analizzano le misure acquisite e determinano eventuali anomalie confrontando i valori acquisiti da SCADA rispetto ad un range di valori impostato o rispetto alla varianza del dato. Le anomalie riscontrate sono evidenziate al responsabile della manutenzione che può eventualmente emettere ordini di lavoro per le attività necessarie. Il sistema di manutenzione è corredato da tutti gli strumenti di analisi necessari al controllo della storia manutentiva di ogni apparato di impianto; essi comprendono lo storico degli ordini di lavoro completati e la analisi dei costi ad essi relativi. s.d.i. automazione industriale Case History : DCS Centrale BAS Bergamo pag 4

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6 Architettura di dettaglio Un LAN principale di sistema, Ethernet ridondata, consente di interfacciare tutti i nodi del sistema di controllo distribuito In sala controllo, sono presenti le seguenti apparecchiature, viste come nodi del sistema: 2 stazioni operatore del sistema DCS, in configurazione totalmente ridondata; 1 stazione di configurazione sistema DCS; 2 stampanti (a modulo continuo per la stampa eventi e reports, a colori a getto d inchiostro, per la stampa delle pagine grafiche). 1 stazione per funzioni di manutenzione (integrate a SCADA) delle apparecchiatire di impianto. E inoltre presente un personal computer dedicato alla visualizzazione documentazione elettronica, connesso in rete Ethernet separata alla stazione di gestione manutenzione posta in sala controllo. Il sistema di controllo è suddiviso in: due sistemi basati su Soft PLC, entrambe ridondanti con intervento di backup automatico un sistema basato su controllo distribuito basato su rete di PLC un sistema di protezioni e blocchi basato su PLC ridondato Ai primi tre sistemi fanno capo diverse linee di bus di campo, alcune delle quali ridondate, così strutturate: Soft PLC 1 (impianti Caldaia + Trattamento Fumi); Bus di sistema ridondato (Profibus DP) in fibra ottica che interfaccia gli MCC Caldaia e MCC Trattamento Fumi; Bus di sistema ridondato elettrico (Profibus DP) che interfaccia le isole di I/O remoto ubicate sugli impianti Caldaia e Trattamento Fumi; Interfaccia seriale ridondata per lo scambio dati tra la CPU ridondata ed il sistema BMS. Soft PLC 2 (Turbina e ciclo termico) : Bus di sistema ridondato (Profibus DP) per l interfacciamento su linea elettrica dei segnali ausiliari del pannello di protezione e comando, ed in fibra ottica per l interfacciamento degli MCC Turbina, Servizi Generali, Utif, Sottostazione 130Kv (a circa 1500 mt di distanza) Bus di sistema ridondato elettrico (Profibus DP) che interfaccia le isole di I/O remoto ubicate sugli impianti Ciclo Termico, Turbina, Alternatore Interfaccia seriale con protocollo Modbus RTU che permette lo scambio dati tra la CPU ridondata ed il sistema di controllo turbina (STCS) Bus di sistema (profibus DP) in fibra ottica che interfaccia I/O remoto relativo ai servizi esterni posto a circa 300 mt. Rete PLC sezione elettrica connessione su Profibus DP verso i dispositivi relativi a PMCC (24 SIPROCODE, 5 SIPROTEC), UPS, Quadro MT (4 SIPROTEC), PLC pompe acqua di raffreddamento condensatori e PLC Compressori Aria, PLC cabina analisi connessione al quadro di protezione generatore e controllo parallelo. Sistema ESD. Il sistema ESD, costituito da due CPU SIEMENS AS414FH, è di tipo duale fault-tolerant, opera in maniera completamente autonoma dal sistema DCS e scambia, tramite contatti direttamente cablati agli I/O del sistema, i segnali inerenti le catene blocchi d impianto. s.d.i. automazione industriale Case History : DCS Centrale BAS Bergamo pag 6

7 Architettura HMI/SCADA Le interfacce operatore del sistema sono costituite da 2 consolle operatore con funzioni di SCADA/HMI in configurazione ridondata che permettono il controllo dell intero impianto tramite pagine grafiche. Stazione di configurazione La consolle di configurazione (expert development) consente la modifica della configurazione di punti, pagine e logiche di automazione e regolazione (utilizzando per queste ultime il formalismo IEC ) relative a tutto l impianto. s.d.i. automazione industriale Case History : DCS Centrale BAS Bergamo pag 7

8 Sistema di manutenzione impianto La stazione di manutenzione, che utilizza il software di Asset Management Datastream MP2, integrato a SCADA, espleta le funzioni di gestione della manutenzione preventiva e predittiva, emissione e schedulazione degli ordini di lavoro, trattamento delle richieste di intervento straordinarie, gestione dei magazzini locali di impianto. s.d.i. automazione industriale Case History : DCS Centrale BAS Bergamo pag 8