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01 14 Verdichter- und Kontrollstationen sind entlang der Pipeline für den reibungslosen und ausfallfreien Ablauf des Gastransfers verantwortlich

Pipelines zuverlässig mit Automatisierungssystemen überwachen

02 Eine Verdichter- und Kontrollstation im Detail

03 Das Automatisierungssystem PSS 4000 von Pilz besteht aus verschiedenen Hard- und Softwarekomponenten sowie dem Echtzeit- Ethernet „Safety Net P“

04 Die Softwareplattform PAS 4000 des Automatisierungssystems PSS 4000 bietet unterschiedliche Editoren, mit denen sowohl Programme für Sicherheits- als auch Automatisierungsfunktionen erstellt werden können

Die konsequente Verteilung von Steuerungsfunktionen in die Peripherie nach dem mechatronischen Ansatz kennzeichnet das Automatisierungssystem PSS 4000 von Pilz. Dabei ist es für die Steuerungsfunktion unerheblich, wo der zugehörige Programmteil abgearbeitet wird. Im Kern liegt dieses Grundprinzip auch dem in weiten Teilen automatisierten Betrieb und der Überwachung einer 2.500 km langen Gaspipeline zugrunde, die von Myanmar nach China führt. In den 14 Verdichter- und Kontrollstationen entlang der Strecke steht das Automatisierungssystem für sichere Prozessregelung und funktionale Sicherheit nach SIL3 (Bild 1). Doch das ist nicht alles: PSS 4000 übernimmt gleichzeitig Automatisierungs- und Sicherheitsaufgaben in einem System.

Von der Westküste Myanmars, dem früheren Burma, bis nach Kunming in der Provinz Yunnan erstreckt sich die Gaspipeline, die einen Teil des großen Energiebedarfs Chinas decken und das Land ein Stück weit unabhängiger von Transporten auf dem Seeweg machen soll. Die Pipeline ist ein Gemeinschaftsprojekt der staatseigenen China National Petroleum und Myanmar Oil & Gas Enterprise. Im Jahr 2009 wurde mit dem ehrgeizigen Projekt begonnen, seit Juli 2013 ist die Gasleitung in Betrieb. Rund 30 Mrd. m 3 Gas strömen nun pro Jahr von West nach Ost, eine parallel geplante Rohölpipeline ist im Bau.

Zuverlässiger und sicherer Betrieb über 2.500 km
14 Verdichter- und Kontrollstationen sind entlang der Pipeline für den reibungslosen und ausfallfreien Ablauf des Gastransfers verantwortlich (Bild 2). Mit den automatisierten Prozessen sind definierte Sicherheitslevel verknüpft, die Gefährdungsrisiken für Mensch und Umwelt sowie Beschädigungen der Anlage so gering und unwahrscheinlich wie möglich halten sollen. Um das Gas über die lange Strecke zuverlässig und gefahrlos transportieren zu können, muss neben einem bestimmten Leitungsdruck auch eine damit in Verbindung stehende Mindesttemperatur aufrechterhalten werden. Fällt der Druck, sinkt die Temperatur und aufgrund der spezifischen Eigenschaften des Gases wächst dann die Vereisungsgefahr – mit entsprechend negativen Auswirkungen auf den Gasfluss und das Leitungssystem. Die Guo Peng Technical Co., Ltd. mit Sitz in Beijing, China, zeichnete im Konsortium der Projektpartner dafür verantwortlich, mithilfe eines elektrisch beheizbaren Systems eine Vereisung zu verhindern und den kontinuierlichen Gasfluss aufrechtzuerhalten. Mehrere Sensoren überwachen die Temperatur und den Durchfluss im Pipelinenetz: Wird ein definierter Mindestwert unterschritten, springt die Heizanlage an. Ein definierter Maximalwert stellt sicher, dass die Wärmezufuhr rechtzeitig wieder abschaltet. Diese Schutzeinrichtung soll, so die Anforderung des Pipelinebetreibers, absolut zuverlässig und automatisiert ablaufen. Doch welche Art von Sicherheitseinrichtung ist geeignet, die Ausführung der Schaltsignale verlässlich zu überwachen? Ein nicht erkanntes Unter- oder Überschreiten der definierten Temperatur- und Gasflusswerte könnte im Extremfall zu einer Explosion mit Schäden für Mensch und Umwelt sowie zu einem längeren Ausfall der Gasversorgung führen. Folgekosten, die rasch in die Millionen gingen.

Gaspipeline mit Anforderungen einer Produktionsanlage
Gefordert war ein Safety Integrity Level (SIL) Stufe 3. Zhu Yi Ming, Ingenieur und bei Guo Peng Technical Co. verantwortlich für die Entwicklung und zuverlässige Funktion des Heizsystems, erinnert sich an einen seiner frühen Aufenthalte in Deutschland: „Mir ist an einer großen Hydraulikpresse eine für damalige Verhältnisse herausragende Sicherheitslösung aufgefallen, die von Pilz stammte.“ Er nahm daraufhin Kontakt mit der Tochtergesellschaft von Pilz in Peking auf. Da eine Gaspipeline im Kern nichts anderes ist als eine komplexe Produktionsanlage mit einer Vielzahl unterschiedlichster Steuerungs- und Sicherheitsanforderungen, kam für dieses Projekt das Automatisierungssystem PSS 4000, das bereits in zahlreichen Applikationen im Maschinen- und Anlagenbau im erfolgreichen Einsatz ist, infrage (Bild 3). Das Automatisierungssystem des Komplettanbieters für die sichere Automation steht für ein optimales Zusammenspiel von Hard- und Softwarekomponenten, Netzwerkgeräten und dem Echtzeit-Ethernet „Safetynet P“. Verschiedene Funktionen und Kombinationsmöglichkeiten zeichnen das System aus und unterscheiden es von klassischen Automatisierungslösungen. Dies gilt für Einzelmaschinen ebenso wie für verkettete Anlagen: Durch die konsequente Verteilung der Steuerungsfunktionen lassen sich mit dem Automatisierungssystem PSS 4000 Projekte flexibel und dadurch einfacher realisieren. Zudem können „klassische“ Automatisierungsstrukturen mit einer zentralen SPS-Steuerung aufgebaut werden.

Sichere Überwachung von PID-Reglern
Eine zwingende Forderung im Rahmen einer sicheren Überwachung der Gastemperatur und des Gasflusses war, dass die beabsichtigte Lösung sichere PID-Regler realisieren können muss. Zahlreiche Automatisierungssysteme am Markt sind zwar in der Lage, nicht sichere PID-Regler zu überwachen, eine sichere Prozessregelung lässt sich derzeit aber mit den wenigsten SPS-Steuerungen umsetzen. Das Automatisierungssystem PSS 4000 bietet zuverlässig Sicherheit und Automation in einem System: Die PID-Regelung wird dabei über einen speziellen Softwarebaustein in der Softwareplattform PAS 4000 umgesetzt (Bild 4). Die zur Familie des Automatisierungssystems PSS 4000 zählende Steuerung PSS Universal PLC, die mit der übergeordneten Anlagensteuerung via Modbus/TCP kommuniziert und in jeder der 14 Verdichterstationen im Einsatz ist, kann neben der sicheren Überwachung des Gasflusses, der Temperatur, dem Druck und den Not Halt-Tastern auch Automatisierungsfunktionen wie etwa Sirenen oder Signallampen überwachen und auch steuern. „Entscheidend für uns war, dass PSS 4000 Sicherheit und Automation in einem System bietet, das Ganze mit einer intuitiv bedienbaren Software einfach implementierbar und das Preis-Leistungs-Verhältnis unschlagbar ist“, betont Zhu Yi Ming. Und mit verschiedenen Editoren zur Programmierung nach IEC 61131-3 oder zur Konfiguration sind Anpassungen und Änderungen per Software auch in Zukunft leicht umsetzbar. „Pilz lieferte bei diesem Projekt nicht nur die Technik, sondern war zudem Partner auf Augenhöhe bei der Entwicklung einer optimalen Projektlösung, Experte und Berater für Sicherheit sowie Unterstützer bei der Programmierung und bei der Umsetzung des Projektes“, fasst Zhu Yi Ming zusammen. Gemessen am Einsatz in der klassischen Maschinenbaubranche ist die Verwendung des modularen Automatisierungssystems PSS 4000 bei Pipelineprojekten wie jenem in Myanmar und China eher noch exotisch. Die Vielfalt der mit diesem System realisierbaren Lösungen, der logische Aufbau, die einfache Implementierbarkeit und nicht zuletzt die positiven Erfahrungen im täglichen Einsatz überzeugten jedoch: Aktuell ist ein weiteres Gaspipeline-Projekt zwischen China und Usbekistan in der Planungsphase.

Vielfalt der Applikationen
Seit der Einführung des Automatisierungssystems PSS 4000 sind viele – vor allem vielfältige – Applikationen realisiert worden. Neben dem klassischen Maschinen- und Anlagenbau zählen dazu auch Seilbahnen, Hafenkrane, die Mining- Industrie, Erlebnisparks, die Chemieindustrie sowie Großprojekte wie die Automatisierung von Brücken- und Schleusenanlagen, aufwendige und komplexe Bühnentechnik oder eben Pipelines. Häufig spielte die einfache Installation, die flexible Programmierung mit unterschiedlichen Editoren und die Tatsache, dass die Software unabhängig der Hardware erstellt werden kann eine wichtige Rolle. Mögliche Anlagenerweiterungen und damit eine hohe Flexibilität standen zudem bei vielen Applikationen im Fokus.

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Autor:
Hans Xu ist als Ingenieur für die Tochtergesellschaft der Pilz GmbH & Co. KG in China tätig. vertrieb@pilz.de