Ceneri Basistunnel - Digitaler Zwilling im Einsatz

Modellierung von Steuerungen und Inszenierung von Umweltfaktoren

Datum: 02.04.2019

 

Siemens Mobility baut Tunnelsteuerungen verschiedenster Art – von Entwässerungs- über Betriebslüftungssteuerungen bis zu Verkehrsleitsystemen. Die Schwierigkeit solcher Anlagen liegt oft bei den aufwändigen Vor-Ort-Tests, welche bisher nur eingeschränkt «inhouse» möglich waren. Dank unserem neuen, digitalen Zwilling kann die gesamte Anlage bereits im Haus geprüft werden.

 

Aber was wurde gemacht und wo liegt der Nutzen? Die AlpTransit Gotthard AG, Bauherr der neuen Eisenbahn-Alpentransversale, Achse Gotthard, mit den Basistunnels am Gotthard und Ceneri, beauftragte Siemens Mobility für den Ceneri-Basistunnel eine Betriebslüftungs- sowie Entwässerungssteuerung zu erstellen. Der Bau solcher Steuerungen ist für Siemens Mobility per se nichts Neues. Die Länge des Tunnels, immerhin 15,4 Kilometer, stellt das Projektteam jedoch vor besondere Herausforderungen. Vor-Ort-Test sind üblicherweise aufwändig und umständlich. Siemens Mobility ging daher neue Wege und sparte mit einem digitalen Zwilling Kosten und Zeit.

 

Alles der Reihe nach

 

Tunnelsteuerungen bestehen in der Regel aus drei Ebenen. Die oberste Ebene besteht aus einem sogenannten Kopfrechner – meist redundant ausgelegt – der die Anlage visualisiert. Über diesen Rechner hat der Operator einen Gesamtüberblick über die Anlage, sieht anstehende Störungen in Echtzeit und kann Bedienungen vornehmen. Auf der zweiten Ebene befinden sich die speicherprogrammierbaren Steuerungen, die Leistungselektronik oder Netzwerkkomponenten, typischerweise verteilt im gesamten Tunnel. Auf der dritten Ebene gibt es zu guter Letzt die Aktoren und Sensoren. Im Falle einer Betriebslüftung sind dies die Lüfter selbst oder aber Strömungs- und Luftqualitätssensoren.

 

Sieht man sich beispielsweise das Mengengerüst der Betriebslüftung im Ceneri-Basistunnel an, stellt sich dieses wie folgt dar: 

 

  • 50 Strahlventilatoren
  • 34 Sanftstarter
  • 12 Speicherprogrammierbare Steuerungen
  • 12 Leistungs- und 6 Strömungsmessstellen
  • 12 Scalancerouter
  • sowie viele weitere Elemente wie Schränke, Kabel etc. 

Wollte man all diese Komponenten möglichst realitätsnah zuerst im Hause testen, würde man für den Aufbau eine riesige Halle benötigen. Nachfolgende Abbildung zeigt allein drei der 50 Strahl-Ventilatoren:

Warum möglichst viel «inhouse» testen?

 

Wie erwähnt, sind Tests vor Ort sehr aufwändig, reiseintensiv und benötigen oft mehrere Mitarbeitende. Ein weiterer Grund liegt in der Natur der Anlage: Testet man nur einzelne Steuerungen, anstelle des gesamten Systems, deckt man damit nur einfache Testfälle ab. Die Steuerung der Anlage kann jedoch auch zu umfangreichen operativen Abläufen führen. Um diese Abläufe auch in einer Gefahrensituation meistern zu können, werden vordefiniert Szenarien bestimmt, bei welchen das Zusammenspiel der gesamten Anlage geprüft werden muss. Bricht im Tunnel beispielsweise ein Brand aus, kommen – abhängig von der Brandstelle im Tunnel – vordefinierte Szenarien zum Einsatz, die das Zusammenspiel der 50 Lüfter korrekt steuern. Um beispielsweise einen sicheren Bereich für die flüchtenden Passagiere zu erzeugen, soll zum einen in der gefahrfreien, zweiten Röhre ein Überdruck erzeugt werden. Zum anderen will man während der Interventionsphase - neben dem Überdruck in der gefahrfreien Röhre - in der Brandröhre eine Längslüftung für einen Rauchabtrieb resp. für einen rauchfreien Zugang für die Interventionsdienste einstellen.

 

Das Testen von Szenarien, in denen alle Anlageteile involviert sind, benötigt das komplette System, welches bisher nur vor Ort vorhanden war. Dank dem digitalen Zwilling können solche Tests aber nun virtuell am Computer durchgeführt werden.

 

Der digitale Zwilling besteht in diesem Projekt aus zwei verschiedenen Softwareprodukten. Beim ersten Produkt handelt es sich um die Software «SIMATIC S7-PLCSIM Advanced». Mit dieser Software kann man die speicherprogrammierbaren Steuerungen komplett emulieren und sie ermöglicht, den erstellten Code direkt aus dem Entwicklungswerkzeug statt in eine reale, in eine virtuelle Steuerung zu laden. Damit können alle zwölf Steuerungen mit dem entsprechenden Code eingelesen werden. «SIMIT» ist die zweite Software, welche im Einsatz ist. Mit dieser Software können Szenarien simuliert und die Anlage modelliert werden. Beide Softwareprodukte sind Teil des Siemens-Portfolios.

 

Damit ausgerüstet ist eine virtuelle Inbetriebnahme bereits im Haus möglich. Alle Szenarien können komplett durchgespielt und bereits im Vorfeld dem Kunden oder Lüftungsingenieur demonstriert und allfällige Änderungswünsche rasch und einfach eingebracht werden.

 

Picture Credit: © AlpTransit Gotthard AG