Description language for the modelling and analysis of temporal change of instrumentation and control system structures

Publication date
2013
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Göring, Markus Heinrich
Advisor
Referee
Krüger, Klaus
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2013-10-25
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Automatisierungstechnik
Wissensbasiertes System
Beschreibungssprache
Lebenszyklus
Modellierung
Description Language
Modelling
Analysis
Knowledge Based System
Abstract
Der Einsatz rechnerbasierter Leittechnik, begründet durch den technologischen Fortschritt der Computerindustrie, stellt weltweit für die Ingenieure der Kernkraftwerke eine aktuelle Herausforderung dar. Im Vergleich zur bewährten, festverdrahteten Leittechnik muss das Engineering bei der Implementierung der rechnerbasierten Technologie neue Charakteristika berücksichtigen, welche sich primär durch eine größere Leistungsfähigkeit und die Verwendung von Software auszeichnen. Hieraus resultieren für das Engineering die Möglichkeiten, komplexere Funktionen zu realisieren und verschiedene Funktionen auf einzelnen Komponenten zu integrieren. Gleichzeitig ist jedoch die Minimierung der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von gemeinsam verursachten Ausfällen der Komponenten von hoher Priorität. Zudem muss das Engineering auch das deterministische Sicherheitskonzept für Kernkraftwerke bei der Leittechnikauslegung implementieren. Zum einen müssen die Auslegungsmerkmale Redundanz, Diversität, physikalische Trennung und Unabhängigkeit implementiert werden. Zum anderen muss die Leittechnik bezüglich der Überlagerung festgelegter Ereignisabläufe mit postulierten Fehlern und Ausfällen analysiert werden, so dass der sichere Betrieb des Kernkraftwerks durch die Leittechnik sichergestellt werden kann. Im Fokus dieser Arbeit stehen die Grundlagen des Engineerings, d.h. Beschreibungsmittel und Methoden, auf die das Engineering für eine qualitativ hochwertige und effiziente Implementierung der rechnerbasierten Leittechnik angewiesen ist. Aus der Analyse des deterministischen Sicherkonzepts und der technologisch begründeten Charakteristika werden die für das Engineering relevanten technischen Anforderungen abgeleitet, die mit den allgemeinen Strukturierungsprinzipien der IEC 81346 und den erweiterten Bewertungskriterien für Beschreibungsmittel auf Basis der VDI/VDE?Richtlinie 3681 kombiniert werden und somit Zielkriterien für die Bewertung von Beschreibungsmitteln ergeben. Die Analyse und der Vergleich bestehender Beschreibungsmittel zeigen, dass, aufgrund der umfassenden Anforderungen resultierend aus der Überlagerung der Ereignisabläufe mit den Fehlern und Ausfällen, kein Beschreibungsmittel die Zielkriterien zufriedenstellend erfällt. Infolgedessen ist die Synthese eines Beschreibungsmittels unter Berücksichtigung der o.g. Herausforderungen notwendig, ergänzt durch eine Methode für das effiziente Engineering und die Analyse der Leittechnikauslegung unter Anwendung des Beschreibungsmittels. Wegen der Abstraktion als Meta-Metamodell wird AutomationML als Grundlage für die Synthese gewählt, auch wenn AutomationML nicht alle Zielkriterien erfüllt. Die Synthese des Beschreibungsmittels baut einerseits auf der Syntax von AutomationML auf, andererseits ist die Semantik durch den Kontext der rechnerbasierten Leittechnik bestimmt und mittels der Produkt-, Funktions- und Ortsstrukturen der IEC 81346 strukturiert. Für die Modellierung der Leittechnikfehler und -ausfälle sowie der Ereignisabläufe wird das Beschreibungsmittel um eine Ereignisstruktur ergänzt, die auf Basis der CDL konzeptualisiert und mit Hilfe der PSL formalisiert wird. Die Formalisierung dient als Grundlage für die Verwendung in wissensbasierten Systemen, die automatisiertes Engineering ermöglichen. Die Modellierung der Leittechnik, als Teil der Methode, ist in den Lebenszyklus der IEC 61513 eingebettet und erfolgt in zwei Schritten, so dass die Auslegung auf der Anlagen? und Systemebene analysiert werden kann. Für die Analyse werden die Konzepte der D3-Analyse, FTA, ETA und FMEA integriert. Abgeschlossen wird die Arbeit durch die exemplarische Anwendung des Beschreibungsmittels und der Methode auf die Modernisierung eines Reaktorschutzsystems, mit der die Validität des entwickelten Konzepts gezeigt wird.
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