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Intelligente Erdgasförderung bei BEB: Technik, die sehen, hören und riechen kann

Ein neues automatisches Überwachungssystem für Erdgasanlagen wurde bei der BEB GmbH entwickelt. HISS, das „Human Interface Supervision System“, war wegen seines innovativen Charakters als Projekt der EXPO 2000 registriert.
Die Automatisierung in der Erdgas- und Erdöl-Industrie ist sehr weit verbreitet und automatisch arbeitende, unbemannte Förderanlagen sind allgemein üblich.
Trotzdem muss zur Sicherung von technischen Anlagen und Arbeitsabläufen immer noch auf das Wissen und die Erfahrung von Menschen zurückgegriffen werden, die diese im Laufe vieler Jahre gesammelt haben. So haben sich weitreichende Maßnahmen wie z. B. Kontrollen, Routinewartungsarbeiten, vorbeugende Wartung, risikobezogene Wartung zur Sicherung der Produktion als nützlich erwiesen. Allerdings stellt sich immer wieder die Frage, ob diese bereits eine verlässliche Grundlage für eine umfassende Optimierung der Prozesse, der Kosten und der Risikobewertung bieten oder gar eine Garantie für den einwandfreien Betriebszustand einer technischen Anlage. Als Antwort auf diese Herausforderungen wurde von BEB Erdgas und Erdöl GmbH, Hannover, das „Human Interface Supervision System (HISS)“ – ein neues intelligentes System von Sensoren und Logik – entwickelt.
BEB ist der größte Erdgasproduzent in Deutschland. Ca. 10 Milliarden m3 Erdgas wurden von diesem Unternehmen im Jahr 2000 aus heimischen Lagerstätten gefördert.
Was ist HISS? Ursprünglich war es ein Phantasiegebilde. Als sich einige Ingenieure wieder einmal darüber ärgerten, wie lange Störungsmeldungen brauchten, bis sie in der Leitstelle eintrafen, kritzelte einer von ihnen eine Karikatur auf ein Blatt Papier. Ein Computer mit Ohren, Augen und Nase. Die Idee zu HISS war geboren, dem kontinuierlich arbeitenden Überwachungssystem, das genauso deutlich hören, sehen und riechen kann wie ein Mensch, oder möglicherweise noch besser und dies rund um die Uhr.
Das Ziel des neuen elektronischen Systems ist es, einen Teil der o. g. Funktionen des Menschen zu übernehmen, den Auflagen von Umweltschutz und Sicherheit zu entsprechen, und diese in eine neue professionelle Wartungsphilosophie einfließen zu lassen.
Bei HISS werden die menschlichen Sinnesorgane „Augen, Ohren, Nase“ mit Hilfe von Sensoren nachgebildet. Die Signale dieser Sensoren werden über eine lernende Logik so verknüpft, dass auch Ereignisse an prozesstechnischen Einrichtungen folgerichtig bewertet und weitergeleitet werden können, die mit den herkömmlichen Überwachungseinrichtungen nicht erkannt werden. Mit den Sensoren können folgende Situationen erfasst werden:

Hören  

Hören

  • Erkennen von kleinen Leckagen
  • Erkennen von Schäden an Ventilen, Pumpen, Lagern
  • Erkennen von Störungen an Anlagenteilen aus den Umgebungsgeräuschen
Riechen  

Riechen

  • Erkennen von kleinen Leckagen
  • Erkennen von H2S, Methan, Benzol in der Umgebungsluft
  • Trennung anlagenspezifischer Gerüche von Fremdgerüchen
Sehen  

Sehen

  • Fremdeinflüsse durch unbefugte Personen / Feuer / Sturm
  • Eisbildung an Anlagenteilen
  • Emissionen von Gasen
  • Flüssigkeitsansammlungen
  • Aufnahme von Wärmezuständen der Anlage


Für das „Sehen“ wurden bisher marktübliche Kameras verwendet, die für die meisten Anwendungen auch qualitativ ausreichen. So können Fremdeinflüsse durch unbefugtes Betreten / Feuer / Sturm, größere Flüssigkeitsansammlungen und Eisbildungen erkannt werden. Emissionen von Gasen und Wärmezuständen von Anlagenteilen zu erfassen, kann nur mit höherer Kameraqualität verwirklicht werden.
Beim Sensor „Hören“ handelt es sich u. a. um den erstmaligen industriellen Einsatz eines optischen Mikrophons mit mehreren, gleichzeitig ablaufenden Rechenverfahren zur Schallbewehrtung und Geräuschmustererkennung. Diese Geräuschmuster werden räumlich dreidimensional abgebildet und jeweils mit den in der Auswertelogik abgelegten Erfahrungswerten verglichen. Bereits in den ersten Feldversuchen wurden der Ausfall von Pumpen, Störungen an Ventilen, geringe Mengen (5 m3/h bei 4 bar) ausströmendes Gas bei gleichzeitigem Vorhandensein von Geräuschen von Fahrzeugen, Flugzeugen, Regen, Wind einwandfrei identifiziert.
Der als elektronische Nase für das Thema „Riechen“ entwickelte Sensor nimmt ähnlich der menschlichen Nase Geruchsmuster wahr und erlaubt bei entsprechender Auslegung die Deduktierbarkeit einer Vielzahl von Stoffen.


RiechenSehenHören

In praxisnahen Feldversuchen wurden um Hebungsluftwerte von 0,2 ppm H2S, 2 ppm Benzol, 2 ppm Methan gemessen und H2S aus Erdgas und H2S aus Gülle einwandfrei unterschieden. Damit ist eine mögliche Geruchsbelästigung bei Nachbarn eindeutig dem Verursacher zuzuordnen.
Die eigentliche Intelligenz von HISS liegt aber in der Auswertelogik, in die neben den Ergebnissen der Sensoren die Prozessvariablen als Verifikationsfaktoren eingehen und die in ihrer Falldatenbank die verknüpften Erfahrungswerte der Vergangenheit bereit hält. Aus diesem Lernprozess werden Grundsatzbewertungen wie „ideal“, „noch akzeptabel und „nicht akzeptabel“ herausgearbeitet und in einen ständigen Vergleich mit der Wirklichkeit gebracht.
Die auf Erfahrungen aufbauende technische Intelligenz der Auswertelogik erlaubt im Fortgang der Entwicklungen bessere Aussagen, Ob und Was sowie Wo und Wann im Rahmen der Instandhaltung Arbeiten notwendig sind, ob Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz des Umfeldes oder der Anlagen zu treffen sind oder ob bestimmte Objektsicherungsaktivitäten angeordnet werden müssen.
Die HISS-Logik erhält von den drei Mess-Systemen „Sehen, Riechen und Hören“ jeweils Informationen, wenn diese Mess-Systeme eine Störung erkannt haben. Sie verdichtet die Informationen bzgl. ihrer zeitlichen und örtlichen Zusammenhänge und gibt eine entsprechende Meldung an den Operator heraus. Zwei Fälle sind zu unterscheiden: Entweder kennt das System die Situation, die zur Störung geführt hat. Dann kann es eine Meldung ausgeben, die direkt auf diese Situation hinweist. Oder es kennt die Situation nicht. In diesem Fall lautet die Meldung „unbekanntes Szenario eingetreten.“ Hier muss der Operator dem System eine Rückmeldung geben, welche Situation vorliegt.
Das System verwendet diese Rückmeldung, um zu lernen. Sollte diese oder eine ähnliche Situation später erneut auftreten, kennt das System die Situation und kann jetzt auch hier eine qualifizierte Meldung abgeben. Auf diese Weise erhält HISS-Logik im Laufe der Zeit eine immer umfangreichere Falldatenbank und damit auch immer mehr Wissen über die Anlage. Die Erfahrung nimmt also mit der Zeit immer mehr zu. HISS-Logik ist ausgelegt auf die Fernsteuerung und Fernüberwachung von Anlagen. Über ein ISDN-Modem ist das System mit dem ISDN-Datennetz verbunden. Auch die Anzeige von Videobildern und das Abspielen von Geräuschen ist über Datenfernübertragung möglich. Untereinander können HISS-Systeme ebenfalls miteinander verbunden werden und gelernte Szenarien austauschen.
Mit dem Einsatz des HISS-Systems haben die einzelnen Entwicklungsschritte einer unterstützenden Technisierung für die Instandhaltung, die Sicherheit und den Umweltschutz einen vorläufigen Höhepunkt erreicht. Speziell in der Instandhaltung können die Anforderungen der Kostensenkung mit den Anforderungen der Aufrechterhaltung der technischen Zuverlässigkeit besser in Einklang gebracht werden, da klare Aussagen darüber, ob und wann Instandhaltungsmaßnahmen durchzuführen sind, das Risiko einer Gefährdung der Anlage oder ihrer Verfügbarkeit erheblich mindern. Darüber hinaus werden plötzlich auftretende kritische Situationen durch die sehr sensiblen „rund um die Uhr“ Aktivitäten von HISS sofort und im Anfangsstadium erkannt, so dass Sofortmaßnahmen ohne Verzögerung eingeleitet werden können. Bei der Instandhaltung konzentriert sich die neue Technik vorrangig auf Maschinen, Pumpen, Lüfter, Kompressoren und Ventile, da deren Wartung und Instandhaltung aufwendig ist und daher die zeitliche Notwendigkeit von Maßnahmen immer wieder überprüft werden muss. Hier wird mit HISS ein Quantensprung in der Instandhaltung möglich, da der selbstständig ablaufende Lernprozess in der Auswertelogik die richtigen Intervalle der Aufgaben vorgibt und gleichzeitig unvorhergesehenes Fehlverhalten sofort erkennt und signalisiert.
Diese Aufgaben übernimmt HISS für den gesamten Anlagenkomplex und erkennt dadurch auch jede Nachlässigkeit bei Inspektionen, Wartungsarbeiten oder Reparaturen.
Das System HISS wurde gemeinsam von einem Firmenkonsortium, bestehend aus den Firmen BEB Erdgas und Erdöl GmbH, Daimler Chrysler Aerospace, RST Rostock, Sennheiser Elektronik GmbH & Co. KG sowie der Siemens AG entwickelt und im Erdgasbetrieb Thönse in die Praxis umgesetzt. Aufgrund des besonderen innovativen Charakters des Projektes wurde es seinerzeit als dezentrales weltweites Projekt der EXPO 2000 registriert. Für Interessenten bietet BEB, nach Absprache, Besuche an.
Anmeldungen können über die Telefonnummer 05 11-64 12 800 oder per E-Mail unter hiss@beb.de zwecks Terminabsprache vorgenommen werden.

HISS-Logik   HISS-Logik:
Das Hiss-Logikmodell umfasst ein Anlagenmodell, in dem Aufgabe und Eigenschaften der spezifischen Prozesseinrichtung hinterlegt sind.
In einer Falldatenbank (zur Zeit sind 14 unterschiedliche Anlagen gespeichert) werden neue Zustände gespeichert und stehen somit für Vergleiche zur Verfügung.
Auch die Prozessvariablen spielen eine Rolle. Durch Erhöhung der Produktionsrate verändert sich zum Beispiel das Grundgeräusch der Anlage ebenfalls. Diese Änderung führt dann, wenn die Prozessvariablen mit in das Logikmodell eingehen, nicht zu einem Alarm.
In den Einzelkomponenten werden die Informationen vorverarbeitet und gelangen über Schnittstellen zur zentralen Recheneinheit.
In der zentralen Recheneinheit wird der Zustand erfasst, bewertet und es wird über eine weitere Verarbeitung entschieden.


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