System aktywnej kontroli powodzi

Fot. 1. W roku 2002 dewastujące wody powodzi dotarły do 370 spośród 500 domów w austriackim mieście Mitterkirchen im Machland; od czasu ukończenia w 2012 roku Machland Dam mieszkańcy mogą odetchnąć z ulgą

Równina zalewowa rzeki Dunaj, rozciągająca się pomiędzy miastami Mauthausen i Grein, zawdzięcza swoją osławioną żyzność w dużej mierze częstym powodziom. Plany zastosowania bardziej wszechstronnych środków kontroli powodzi istniały na długo przed dewastującą powodzią z roku 2002, w następstwie której całe wsie zostały zrównane z ziemią i przeniesione na wyżej położone tereny.

Pierwotne plany zostały stworzone po powodzi z roku 1991, ale trzeba było je całkowicie zrewidować dziesięć lat później, na skutek wstrząsających doświadczeń powodzi z roku 2002. Ukończona w roku 2012 tama Machland Dam ma długość ponad 36 kilometrów, co sprawia, że jest ona największym projektem kontroli powodzi, jaki kiedykolwiek był zbudowany w Europie. Za cenę niemal 182 milionów euro ta historyczna konstrukcja chroni obecnie około 22 tys. ludzi przed przyszłymi klęskami naturalnymi.

W PEŁNI ZAUTOMATYZOWANA I O WYSOKIEJ DOSTĘPNOŚCI

Fot. 2. Machland Dam - rozciągając się na przestrzeni ponad 36 kilometrów, system ten obejmuje 100 śluz i przepompowni, a także 24 stacje zasilające dostarczające elektryczność i zasilanie awaryjne

Tama Machland Dam - oprócz wałów ziemnych o długości 29 kilometrów, 7 kilometrów murów ochronnych (niektórych ruchomych) oraz kanału powodziowego o długości niemal 9 kilometrów, są tam jeszcze 32 struktury oporowe, które można zamknąć w razie potrzeby wypełnienia pozostałych szczelin.

System 72 stacji pomp obejmuje 248 pomp, które są w stanie przetłoczyć w sumie 50 tys. litrów wody na sekundę z otaczającego obszaru w miejsce zamknięte wałami. Struktura ta jest zasilana przez 24 stacje mogące dostarczyć do 8,8 MW mocy. Normalnie pracujące jako stacje transformatorowe, są one również wyposażone w generatory spalinowe na wypadek przerwy w dostawie prądu.

W sytuacji awaryjnej systemy te muszą włączyć się w pełni automatycznie i z absolutną niezawodnością. To dlatego wprowadzono jeden wspólny standard dla wszystkich pomp i stworzono projekt o wyjątkowym poziomie bezpieczeństwa. Wysokie wymagania musiały zostać postawione również przed technologią sterowania tym systemem.

MONUMENTALNY PROJEKT Z DZIEDZINY AUTOMATYKI

Podobnie jak wszystkie projekty opłacane z funduszy publicznych, kontrakty na budowę tamy Machland Dam były przyznawane w drodze przetargu zorganizowanego w całej Unii Europejskiej. Kontrakt na oprzyrządowanie i sterowanie dla wszystkich ośmiu segmentów tamy został przyznany firmie Electro & Electronic Landsteiner jako część wspólnej oferty, z którą wystąpiła grupa firm zajmujących się też inżynierią mechaniczną i budową hydrauliki stalowej. Firma Landsteiner od wielu lat wykorzystuje wyłącznie systemy automatyki i komponenty B&R.

REDUNDANTNA INTELIGENCJA ROZPROSZONA

Fot. 3. Redundantne komputery główne w centralnej sterowni używają osobnego sterownika I/O X20 aby komunikować się z każdym segmentem systemu

Sterownia centralna znajduje się w siedzibie firmy obsługującej tamę. Stamtąd każdy segment systemu ma bezpieczne, redundantne połączenie VPN z siecią telekomunikacyjną. W przypadku gdyby obie linie uległy awarii, można przełączyć się na połączenie bezprzewodowe. Poszczególne stacje w każdym z segmentów są połączone między sobą za pomocą światłowodów.

Sterowniki wzdłuż całej tamy komunikują się odpowiadającymi im sterownikami w sterowni centralnej. Obsługują one wymianę danych pomiędzy poszczególnymi segmentami i serwerami redundantnymi komputera głównego. W sumie, znajdujący się w Machland system aktywnej kontroli powodzi, jest pojedynczym układem obejmującym niemal 130 sterowników połączonych w prężną, redundantną sieć pierścieniową.

SPRAWDZONA TECHNOLOGIA STEROWANIA ROZPROSZONEGO

Fot. 4. Każda ze 120 stacji połączonych w redundantną sieć pierścieniową jest sterowana zdalnym PLC B&R z serii X20 za pomocą około 100 kanałów I/O; lokalnie do monitorowania i obsługi jest wykorzystywanych 45 terminali Power Panel

Lokalne stacje sterowania mają własne wyzwania, nad którymi muszą zapanować. Ponad 10 kanałów I/O monitoruje i porównuje pomiary z czujników redundantnych. Czujniki te sprawdzają poziom wody w Dunaju i jego dopływach, pozycje śluz, status pomp, a także sygnały alarmowe i rezerwy paliwowe generatorów awaryjnych.

Kontrolują one również różne wyświetlacze. Pętla kontroli poziomu o dużej mocy również obsługuje lokalne sterowniki. Instrumenty mierzące moc na każdej ze stacji oraz napędy pomp i śluz są połączone za pomocą sieci Profibus, natomiast komunikacja z nadzorem poziomu wody odbywa się przez Ethernet TCP/IP.

Sprzęt sterujący jest zamontowany bezpośrednio na każdej śluzie, pompie lub stacji zasilającej - niektóre z nich mają własne budynki, natomiast inne potrzebują szafek sterowniczych przystosowanych do pracy na zewnątrz budynku. Główne kryteria wyboru komponentów systemu obejmowały kompaktową, wytrzymałą konstrukcję oraz - uwzględniając potencjał potrzebny do ich obsługi za pomocą generatora awaryjnego - niski pobór mocy.

Specjaliści automatycy z firmy B&R dobrali sterowniki PLC i moduły I/O ze swojej kompaktowej serii X20 sterowania rozproszonego, a także panele operatorskie ze sterownikiem Power Panel 45 z ekranem dotykowym o przekątnej 5,7" w celu umożliwienia lokalnego monitorowania i obsługi tych urządzeń.

AUTOMATYKA, KTÓRA NIE WYJDZIE Z UŻYCIA

Fot. 5. Wszystkie dane przetwarzane są w głównym systemie sterowania; aby ułatwić jego konserwację, dokumentacja wszystkich komponentów B&R jest przechowywana tam w formie cyfrowej; możliwe jest również oglądanie dowolnego z lokalnych terminali HMI znajdujących się w poszczególnych stacjach

Aby zapewnić, że nie wystąpią nieprzyjemne niespodzianki w czasie konserwacji lub rozbudowy aplikacji, B&R oferuje bezprecedensową kompatybilność. "W czasie projektowania użytkownik nie musi już się martwić, jaki CPU będzie wykorzystany do uruchomienia programu", z przyjemnością oznajmia Reisinger.

"Z kolei na pytanie o to, jakie kanały będą wykorzystywane do komunikacji, nie trzeba odpowiadać już w czasie programowania - jest to po prostu kwestia konfigurowania odpowiednich kontrolerów sieci. We współpracy z B&R firma Landsteiner stworzyła pojedynczy program zawierający wszystkie funkcje techniczne dla stacji pomp i śluz. Sterowniki po prostu automatycznie pobierają potrzebne im parametry specyficzne dla danej stacji.

Nowe lub zmodyfikowane funkcje są programowane i testowane w Landsteiner, a następnie wysyłane do systemu kontroli powodzi za pomocą zdalnej transmisji danych. Możliwość opracowania niezależnych modułów pozwala dołączać modyfikacje bez żadnych zakłóceń. Można je dodawać do istniejących systemów bez potrzeby rewalidacji wszystkich innych komponentów.

Całe oprogramowanie tamy Machland Dam, w tym wszystkie sterowniki, HMI i systemy komunikacji, są projektowane i testowane w Amstetten za pomocą środowiska Automation Studio, a następnie dostarczane do miejsca przeznaczenia przy użyciu zdalnej transmisji danych. Możliwość opracowania niezależnych modułów i dodawania ich do istniejących systemów pozwala dołączać modyfikacje bez żadnych zakłóceń. Jako że oprogramowanie można z łatwością przenosić na każdy inny PLC firmy B&R, tama Machland Dam ma zapewnione odpowiednią zmianę sprzętu przez wiele generacji sterowników.

SPRAWDZONY W PRAKTYCE

"Kiedy zaczyna się podnosić woda w dopływach Dunaju, to samo dzieje się z naszym ciśnieniem krwi", mówi Wahlmüller. "Aczkolwiek kiedy poważna powódź znów zdarzyła się w 2013 roku, największy na świecie połączony wewnętrznie system X20 dał imponujący pokaz tego, że sprostał swoim zadaniom z nawiązką".

B&R Automatyka Przemysłowa Sp. z o.o.
www.br-automation.com