Engineering auf der Überholspur. White Paper. September 2011

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1 Engineering auf der Überholspur White Paper Ein möglichst nahtloser Planungsprozess und intelligente Massendatenbearbeitung tragen im Wesentlichen zu Zeitund Kostenreduzierungen beim Engineering von Automatisierungsprojekten bei. September 2011 Hohe Engineering-Qualität, verkürzte Projektlaufzeit, Überwinden von System-Schnittstellen diesen Herausforderungen muss sich das prozessleittechnische Engineering (PLT-Planung) heute stellen. Um sie meistern zu können, spielen zwei Faktoren eine entscheidende Rolle: der bidirektionale Austausch von Daten zwischen verfahrenstechnischer und leittechnischer Planung sowie die Wiederverwendung von kennzeichenneutralen Anlagenkomponenten oder Teilanlagen. Strukturiertes, transparentes Arbeiten und ein durchgängiges Datenmanagement versprechen ein hohes Maß an Effizienz nicht nur im Planungsprozess, sondern auch bei Änderungen oder Erweiterungen im Betrieb. Am Beispiel des Prozessleitsystems Simatic PCS 7 soll erläutert werden, mit welchen Mitteln Engineering-Prozesse verkürzt werden können.

2 White Paper Engineering auf der Überholspur September Inhalt Motivation...3 Allgemeine Methodik...4 Prozessablauf allgemein... 4 Objektorientierung... 4 Die Planungsphase... 5 Datengrundlage...6 R&I-Fließschema... 6 Messstellenliste... 7 Signalliste... 7 Funktionspläne... 7 Daten- strukturierung und -modularisierung...8 Funktionsbausteintyp... 8 Messstellentyp... 9 Musterlösungen... 9 SFC-Typ... 9 Massendatenbearbeitung...10 Messstellengenerierung Grafikgenerierung Meldungen und Alarme Sicherheitsapplikationen Wegesteuerungen Fazit...12 Literaturverzeichnis...13

3 White Paper Engineering auf der Überholspur September Motivation Die Planung von verfahrenstechnischen Anlagen ist ein komplexer technischer Prozess, der oftmals arbeitsteilig von diversen Fachdisziplinen ausgeführt wird. Da die wachsende Komplexität moderner Anlagen zu einer enormen Steigerung und Verdichtung von Informationen führt, wird die Arbeit der Planungsingenieure durch gewerkespezifische Werkzeuge unterstützt. Innerhalb des Engineering- Workflows führt die Verwendung der unterschiedlichen Werkzeuge zu einer hohen Zahl von Schnittstellen. Diese Übergabepunkte verursachen häufig einen großen Zeit- und Kostenaufwand: Daten müssen in der geeigneten Form an das nachfolgende Gewerk übergeben werden. Das führt zu wiederholten Dateneingaben, Konsistenzprüfungen und Konflikten. Optimierungspotenzial im Planungsprozess liegt einerseits an den Grenzen einzelner Gewerke, andererseits in der Wiederverwendung von standardisierten Lösungen wie beispielsweise Softwarebausteinen für das PLT-Engineering von Anlagenobjekten. 1 Auch wenn jede Anlage einzigartig ist, können doch zahlreiche Lösungselemente aus bereits projektierten Anlagen in das neue Projekt übernommen werden. Außerdem gibt es in der Praxis zahlreiche Varianten der Wiederverwendung: Anlagenkomponenten, die in hoher Zahl in ähnlicher Form vorkommen, können mit Musterlösungen effizient projektiert werden. Für ein effizienteres Anlagen- Engineering sind die Datendurchgängigkeit, eine zentrale Datenhaltung und die Wiederverwendung standardisierter Lösungen wichtige Ansatzpunkte. Gerade für den zweiten Aspekt ist, neben einer möglichst frühzeitigen Einbindung der Automatisierungsplanung in den Gesamtplanungsprozess, auch eine abgestimmte Werkzeugpalette für die Massendatenbearbeitung von großem Nutzen. 1 vgl hierzu u.a. R. Alznauer, K. Auer, A. Fay: Wiederverwendung von Automatisierungs-Informationen und - Lösungen. Automatisierungstechnische Praxis, Heft 3/2003, S Oder: A. Fay, M. Schleipen, Mathias Mühlhause: Wie kann man den Engineering-Prozess systematisch verbessern? - In: Automatisierungstechnische Praxis, Heft 1-2/2009, S

4 White Paper Engineering auf der Überholspur September Allgemeine Methodik Prozessablauf allgemein Die Anlagenplanung beginnt mit der Prozessbeschreibung. Anhand dieser schriftlichen Ausarbeitung werden die Engineering-Werkzeuge der einzelnen Gewerke mit Grundinformationen versorgt. Ein wichtiges Arbeitsmittel ist dabei das Rohrleitungs- und Instrumentierungs-Diagramm (R&I- Schema). In diesem Fließbild werden die verfahrenstechnischen Grundlagen mit den Informationen der Rohrleitungstechnik sowie den Anforderungen für die Prozessleittechnik zusammengeführt. Mit jedem Planungsschritt wird es immer detaillierter und mit mehr Informationen belegt. Für den späteren Prozess werden Mengen und Volumenströme ermittelt, Apparate und deren Funktion zugeordnet etc. Anhand der verfahrenstechnischen Ablaufbeschreibung kann der Automatisierungsingenieur Funktionsbausteine für Einzelsteuerfunktionen generieren oder Funktionspläne für Schrittkettensteuerungen erstellen. Sämtliche Informationen und Spezifikationen werden im PLT-Engineering verwendet, der Software-Ingenieur übernimmt sie aus dem R&I-Fließbild, den Messstellen- und Signallisten, Funktionsplänen, Stromlaufplänen usw. Die aus den Informationen ableitbaren PLT- Spezifikationen werden in der PLT-Konfiguration umgesetzt. Dieser Prozess ist iterativ und durchläuft mehrere Zyklen. Erst wenn die Funktionsprototypen den Kundenanforderungen entsprechen, werden sie zur Massendatenbearbeitung freigegeben und mit individuellen Logiken und entsprechenden Parametern versehen. Die objektorientierte Bausteintechnik hat sich als grundlegende Technik moderner Prozessleitsysteme etabliert. Funktionalitäten werden in einem Funktionsmodul zusammengefasst, eine komplette Steuerung setzt sich aus einer Vielzahl von Modulen zusammen. Das Ziel der objektorientierten Softwarestrukturierung besteht darin, die Struktur der realen Anlage durch entsprechende Modularisierung der Anwendersoftware möglichst einfach und gleichzeitig eindeutig nachzubilden. So wird zum Beispiel für die Funktion Motorsteuerung mindestens ein Funktionsbaustein bereitgestellt. Dieser realisiert die gesamte Ansteuerungslogik für den Motor, stellt notwendige Schutz- und Überwachungsfunktionen sowie Bedien- und Beobachtungsmöglichkeiten bereit. Die gesamte Funktionalität, die für die Verwendung des Motors erforderlich ist, wird in einem Funktionsplan zusammengefasst. So ist ein einfacher Programmaufbau aus diesen Funktionsmodulen möglich, d. h. erforderliche Funktionalitäten müssen nicht immer wieder aufs Neue ausprogrammiert werden. Einmal getestete Bausteine sind jederzeit in anderen Programmen einsetzbar. Jeder Baustein besitzt einen eindeutigen Typnamen, enthält Methoden, statische und dynamische Parameter sowie Ein- und Ausgänge für den Datenaustausch mit anderen Bausteinen. Häufig werden Funktionsbausteinbibliotheken angelegt, in denen für jede wichtige prozessleittechnische Funktion ein Typobjekt hinterlegt ist. Von diesem können zum Aufbau der Steuerungsprogramme beliebig viele Instanzobjekte mit individuellen Ausprägungen erstellt werden. Den abstrakten Beschreibungen der Typobjekte werden in den Instanzobjekten konkrete Werte zugefügt. Jede Instanz eines Typobjekts führt die gleichen Funktionen aus, die aktuellen Werte können sich aber unterscheiden. Diese konsequente Trennung von Typ und Instanz erlaubt bei einer Bausteinmodifizierung, nur das Typobjekt zu ändern und anschließend sämtliche Instanzobjekte mit einer neuen Funktionalität zu erweitern, ohne jedes einzelne Objekt zu modifizieren. Objektorientierung

5 White Paper Engineering auf der Überholspur September Die Planungsphase Der im vorigen Kapitel beschriebene allgemeine Planungsprozess spielt im Lebenszyklus von Anlagen eine wichtige Rolle, da hier das technische, organisatorische und wirtschaftliche Fundament gelegt wird. Für die Qualität der Automatisierungslösung spielt in dieser Phase vor allem der Austausch zwischen verfahrens- und automatisierungstechnischer Planung eine wichtige Rolle. Der Grundstein für das Leittechnikkonzept wird in der Basisplanung gesetzt: Im R&I-Fließbild werden die Punkte für die Mess- und Regeltechnik verzeichnet; diese werden dann während der Detailplanung mit konkreten Feldgeräten, Apparaten und Ausrüstungen versehen und im 2D- oder 3D-Aufstellungsplan verzeichnet. Es folgen funktionale Spezifikationen: Rezepte, Fahrweisen, Verriegelungen sowie Sicherheits- und Shutdown-Funktionen. Zusammen mit den Messstellen und Signallisten bilden sie die Grundlage für die Einzelsteuerfunktionen, die passend zur Aufgabe erstellt oder aus Bibliotheken ausgewählt werden. Die Strukturierung der Informationen, Konsistenzchecks und Datenanalysen sind für die Effizienz aller weiteren Schritte der PLT- Planung ausschlaggebend. Das Gleiche gilt für die Definition von Schnittstellen zwischen den computergestützten Werkzeugen der Verfahrensplaner und der Automatisierungsplaner, das es hier zu häufigen Revisionen beiderseits kommt. Sobald die Funktionsprototypen den geforderten Spezifikationen entsprechen, kann mit der Instanziierung der Typobjekte und damit mit der Massendatenbearbeitung begonnen werden. Neben der Hardund Softwareprojektierung gilt es, OS (Operator System)-Bilder, Meldungen und Alarme für die spätere Beobachtung und Bedienung der Prozesse zu generieren. Die gesamten Planungsschritte, Spezifikationen und Modifikationen werden zur besseren Nachvollziehbarkeit dokumentiert. In der gesamten Planungsphase nehmen unterschiedliche Disziplinen aufeinander Bezug.

6 White Paper Engineering auf der Überholspur September Datengrundlage Die Grundlage für die PLT-Projektierung bilden typischerweise Informationen aus den so genannten User Requirement Specifications (URS), also dem Lastenheft, sowie Daten aus Planungswerkzeugen wie EPlan, ELCAD, SmartPlant oder COMOS PT. Diese Daten können nicht ohne Weiteres ins Engineering-System eines Leitsystems importiert werden, da sowohl Datenstruktur als auch Syntax nicht übereinstimmen. Um eine prozesstechnische Anlage zu automatisieren, ist es wichtig, die einzelnen Automatisierungsfunktionen ausreichend beschreiben zu können. Als Grundlage dienen heute hauptsächlich das R&I-Fließbild mit entsprechendem Kennzeichnungssystem, die daraus ableitbare Messstellenliste sowie Signal- und Verriegelungslisten. Kommunikation über Gewerkegrenzen hinausgeht, ist ein eindeutiges Kennzeichnungssystem zwingend. R&I-Fließschema Das Rohrleitungs- und Instrumentendiagramm dokumentiert Struktur und Funktion der Prozessanlage für die Verfahrens- und Automatisierungstechnik gleichermaßen. Da die Werkzeuge zur Bearbeitung von R&I-Fließbildern und PLT-Engineering- Werkzeuge unterschiedliche sind, ist eine Standardisierung von Austauschformaten und Schnittstellen zwingend erforderlich. Die IEC-Norm liefert hier entscheidende Hinweise: Mit dem neutralen Datenmodell CAEX stellt sie eine Datenschnittstelle zwischen Werkzeugen für die R&I- Bearbeitung und der PLT-Planung vor. Das XMLbasierte und objektorientierte Datenmodell ermöglicht einen hersteller- und gewerkeunabhängigen Datenaustausch. Das Prinzip beruht auf der Speicherung hierarchischer Objektinformationen, mit der Anlagenstrukturen abgebildet werden können. Dabei ist CAEX kein starres Datenmodell, da Objekte und Beziehungen nicht vordefiniert sind. Dies gilt auch für die numerische Identifizierung der Messstellen. Der Anwender kann sein etabliertes Nomenklaturmodell weiter nutzen, solange die Eindeutigkeit gewahrt bleibt. Gerade wenn die Objektorientierung und ein konsistentes Datenmodell sind nicht nur für die Erstellung von R&I-Fließbildern wichtig, auf ihnen basiert die effiziente Planung. 2 IEC PAS Specification for representation of process control engineering requests in P&I Diagrams and for data exchange between P&ID tools and PCE-CAE tools, VDE-Verlag GmbH, Berlin. Mehr dazu in: Drath, Rainer / Mayr, Gerald: IEC PAS Grafische Darstellung: PLT-Aufgaben und Datenaustausch zu Engineering-Systemen. Eine Norm für den interdisziplinären Austausch von Planungsdaten über die Gewerkegrenzen der Verfahrens- und Leittechnikplanung. In: atp Automatisierungstechnische Praxis 49 (2007), Heft 5, S

7 White Paper Engineering auf der Überholspur September Messstellenliste Aus dem R&I-Diagramm lässt sich die Messstellenliste ableiten. Sie beinhaltet alle im Projekt verwendeten Messstellen mit eindeutigem Namen (Referenzkennzeichen) und Detailinformationen. Für den PLT- Ingenieur enthalten diese Namen schon Grundinformationen. Hinter der Bezeichnung TIC 240 kann je nach Regelung folgende Information stehen: T Die erfasste physikalische Größe ist eine Temperatur. I Die Temperatur wird als Analogwert erfasst. C Die Temperatur wird zur Regelung verwendet. 240 eindeutige Nummer der Messstelle Gemäß diesen Informationen wird der Automatisierungstechniker ein geeignetes Typobjekt auswählen, das die Funktionalität der Messstelle abdeckt. Zusätzliche Merkmale wie Messstellenkommentare, Typ und Hersteller des Feldgerätes, Wertebereich, Maßeinheit etc. werden der Messstelle zugeordnet. Wurden früher Papierlisten eingesetzt, arbeitet man heute mit Tabellenkalkulationsblättern, die eine vollständige Neueingabe der Daten zwar nicht mehr erforderlich macht, wo es aber beim Informationsaustausch zwischen Planungswerkzeug und leittechnischem Engineering-Tool häufig zu Inkonsistenzen und unterschiedlichen Informationsständen kommt. Das hat oft arbeitsintensive Prozessschritte zur Folge. Signalliste Die Messstellenliste bildet die Basis für die Signalliste. Diese enthält Informationen über Signale, Signalparameter sowie Messpunkt und -bereich. Anhand der Signalliste kann zum einen die Auslegung des Leitsystems erfolgen. Zum anderen wird der Automatisierungsingenieur mit Daten für die Parametrisierung von Typobjekten versorgt. Ähnlich wie bei der Messstellenliste werden die Daten häufig über Tabellenkalkulationsblätter zwischen Planungswerkzeug und Automatisierungs-Engineering ausgetauscht. Ohne eine Standardisierung der Schnittstellen fallen auch hier umfangreiche manuelle Eingriffe und Kontrollen an, die bei der Änderung von Planungsdaten stets neu durchgeführt werden müssen. Funktionspläne Die Funktionspläne enthalten Informationen über diejenigen Messstellen, die unter bestimmten Bedingungen verriegelt werden müssen: Für den sicheren Anlagenbetrieb ist es notwendig, dass Prozesseingriffe überwacht, Benutzereingaben gegebenenfalls unterdrückt, Aktoren angesteuert und Funktionen außer Kraft gesetzt werden. Wird im laufenden Anlagenbetrieb die Verriegelungsbedingung aktiv, so muss die vorprogrammierte Schutzfunktion ausgeführt werden.

8 White Paper Engineering auf der Überholspur September Datenstrukturierung und -modularisierung Je größer eine Anlage und je komplexer die Verfahren, umso mehr Informationen müssen von den Planungswerkzeugen an die Automatisierungsplaner und deren Systeme übergeben werden. Um möglichst reibungslose Abläufe zu erreichen, kurze Projektlaufzeiten zu realisieren und Kosten zu reduzieren, sind eine saubere Datenstruktur und ein vernünftiges Prozessmodell grundlegend. Hierarchische Gliederung und Modularisierung sind voneinander abhängig. Während die hierarchische Gliederung mehr von der verfahrenstechnischen Anlage bestimmt wird, ist die Modularisierung von der prozessleittechnischen Realisierung dominiert. Durch die Technologische Hierarchie unterstützt Simatic PCS 7 das Prinzip der hierarchischen Gliederung: Durch das Anlegen von Hierarchieordnern wird eine Projektstruktur, die Technologische Hierarchie (TH), implementiert. In den Ordnern werden anschließend CFC- und SFC-Pläne für die Automatisierungssysteme, Bilder und Reports für die Operatorstationen und Zusatzunterlagen abgelegt. Eine gut geplante Technologische Hierarchie fördert das Auffinden von Objekten und ist Voraussetzung für die Wiederverwendung von generischen Lösungen sowie automatischen Generierungsmechanismen. Das Prinzip der Modularisierung und Wiederverwendung wird in Simatic PCS 7 Projekten durch die Massenbearbeitung realisiert. Die Wiederverwendung von standardisierten und parametrierbaren Lösungen bietet ein hohes Potenzial für Effizienzsteigerung, allerdings muss die Auswahl mit großer Sorgfalt erfolgen. Im Folgenden werden unterschiedliche Basiselemente für effizientes PLT- Engineering vorgestellt. Funktionsbausteintyp Funktionsbausteintypen oder Bausteintypen sind vorgefertigte Programmteile für die Bearbeitung wiederkehrender Funktionen. Sie können in CFC- Pläne (Continuous Function Chart) eingefügt und dort als Instanz parametriert, verschaltet und an die Projektbedürfnisse angepasst werden. Der Bausteintyp legt beim objektorientierten Engineering die Charakteristik für alle Instanzen (Ableitungen) dieses Typs fest. Damit ein Bausteintyp projektweit nur in einer Version verwendet wird, sollte er in einer zentralen Stammdatenbibliothek abgelegt werden. Mit Hilfe von Funktionsbausteinen werden steuerungstechnische Einrichtungen wie Ventile oder Motoren in der PLT-Planung modelliert. Die Ansteuerung erfolgt stets indirekt über eine Instanz des entsprechenden Bausteintyps. Funktionsbausteine erlauben die Steuerung, Überwachung und Bedienung solcher Einrichtungen durch die Bereitstellung entsprechender Anschlüsse für Stell- und Steuersignale sowie für Parametrier- und Überwachungsfunktionen. Gleichzeitig können solche Bausteine auch Verriegelungsfunktionen enthalten, die das Gerät automatisch in eine definierte Sicherheitsstellung überführen. Funktionsbausteine bilden die Basis für die Entwicklung leistungsfähiger Lösungen. Sind sie, wie im Fall des Siemens Prozessleitsystems Simatic PCS 7, umfassend getestet, so garantiert ihr Einsatz eine konstant hohe Qualität und Zuverlässigkeit der verwendeten Algorithmen. Sie modularisieren und typisieren wiederkehrende Funktionalitäten, die zentral änderbar sind und damit den Aufwand für die Entwicklung leistungsfähiger Automatisierungslösungen erheblich verringern. Darstellung der Datenstruktur: (1) = Funktionsbausteintyp (2) = Messstellentyp (3) = Musterlösung (4) = SFC-Typ

9 White Paper Engineering auf der Überholspur September Messstellentyp Ein Messstellentyp dient der Basisautomatisierung bestimmter Leittechnikfunktionen, wie z. B. einer Füllstandsregelung. Messstellentypen enthalten einzelne Funktionsbausteine. Diese werden im CFC- Plan eingefügt. Dabei sind sämtliche Ein- und Ausgangsparameter eindeutig als Parameter oder Signale definiert. Aus diesem CFC-Plan mit allen allgemeingültigen Parametern wird ein Messstellentyp erstellt. In Simatic PCS 7 können mit Hilfe des Import-/Export-Assistenten (IEA) auf Basis einer Importdatei von einem Messstellentypen beliebig viele Messstellen als Kopie erzeugt werden. Anschließend können diese Messstellen manuell weiteren spezifischen Automatisierungsaufgaben entsprechend angepasst und verschaltet werden. Durch das Typ- Instanz-Konzept bleibt auch hier der Vorteil der zentralen Änderbarkeit gewahrt. Die Verwendung von Messstellentypen trägt erheblich zur Reduzierung der Engineering-Kosten bei. Musterlösungen Durch Musterlösungen lassen sich noch größere Einheiten, z. B. Teilanlagen (so genannte Units) als generische Lösung anlegen. Das ist von Vorteil, wenn in Projekten gleichartige Strukturen vorkommen. Eine Unit ist eine Einheit in verfahrenstechnischen Anlagen, die aus Anlagenkomponenten wie Apparaten bzw. Maschinen mitsamt der zugehörigen Sensorik, Aktorik und passender Automatisierungssoftware besteht. Beispiele hierfür sind Reaktoren, Destillationskolonnen oder Tanks. Eine Musterlösung umfasst alle für die Automatisierung dieser Unit benötigten Funktionen: CFC-Pläne, SFC- Pläne, OS-Bilder und Reports. Diese Elemente werden in einem Hierarchieordner zusammengefasst. Die Musterlösung wird zentral in einer Stammdatenbibliothek abgelegt. Nach Projektierung und Zuordnung einer Importdatei können beliebig viele Ableger (Instanzen) automatisch generiert werden. Diese Instanzen lassen sich an die spezifische Automatisierungsaufgabe anpassen. Das gemeinsame Ziel dieser vorgestellten Basiselemente ist die Wiederverwendbarkeit kompletter parametrierbarer Lösungen von Einzelsteuerfunktionen bis zu ganzen Units. Das schafft vor allem bei den im Planungsprozess typischen häufigen Änderungen Vorteile, da stets nur ein Typ zentral bearbeitet werden muss und die Änderungen an die Instanzen weitergegeben werden. Dadurch ergeben sich auch bei Test und Validierung Effizienzsteigerungen: Es muss nur noch das Typ-Objekt getestet bzw. modifiziert werden und nicht mehr alle individuellen Lösungen. Auch Fehlersuche im Betrieb profitiert von der Gleichartigkeit der Lösungen. Für die Entwicklung dieser Basiselemente wird nach den internationalen Normen IEC und gearbeitet, d. h. durch die Anwendung von Functional Safety Management werden systematische Fehler schon im Designprozess vermieden und die Software kann später als Teil des Sicherheitslebenszyklus der Anlage verwendet werden. Beim Entwurf eines Automatisierungssystems mit Simatic PCS 7 kann auf allgemeine Entwurfsprinzipien für komplexe Systeme zurückgegriffen werden, die sich vielfach bewährt haben. Die wichtigsten drei Prinzipien sind 3 : das Prinzip der hierarchischen Gliederung, die durch die Generierung der Technologischen Hierarchie gewährleistet wird. das Prinzip der Modularisierung, das durch die strikte Objektorientierung, das Typ/Instanz-Konzept und damit verbundene Bibliothekselemente eingehalten wird. das Prinzip der Wiederverwendung, das durch die vorgestellten Musterlösungen gewahrt wird. SFC-Typ SFC-Typen (Sequential Function Charts) erlauben es, Ablaufsteuerungen als wieder verwendbare Vorlagen zu definieren. Ein SFC-Typ ist eine Ablaufsteuerung, die in einem Editor projektiert und in einen CFC-Plan eingefügt werden kann. Dabei wird eine ablauffähige SFC-Instanz mit konkreter Prozessanbindung erzeugt. So können SFC-Typen für alle Abläufe erstellt werden, die mehrfach im Projekt vorkommen, wie beispielsweise Heizen, Rühren, Starten etc. Wird die Funktion einer Schrittkette dagegen nur einmal benötigt, ist die Verwendung eines SFC-Plans sinnvoller. Im Gegensatz zum SFC-Plan besitzt der SFC-Typ keine Ablaufeigenschaften, dafür hat er den Vorteil, instanziiert werden zu können. Der Anwender profitiert zudem von der zentralen Änderbarkeit: Bei Hinzufügen von Prozesswerten oder Sollwerten im SFC-Typ werden diese automatisch in allen SFC-Instanzen ergänzt. 3 vgl. dazu Lauber, R., Göhner, P., Prozessautomatisierung 2, Springer Verlag Berlin, 1999.

10 White Paper Engineering auf der Überholspur September Massendatenbearbeitung Mit Erstellung bzw. Auswahl der auf das Automatisierungsprojekt passenden standardisierten Basiselemente ist ein wichtiger Schritt des Detail- Engineerings vollzogen. Nun muss möglichst schnell, sicher und fehlerfrei eine große Anzahl von den Spezifikationen entsprechenden Objekten erstellt werden. Durch die beschriebene Instanziierung der entsprechenden Typen in Simatic PCS 7 ist dieses Anlegen der Ableger einfach durchführbar. Neben der Hardware-Projektierung und dem Erzeugen der Messstellen ist das Erstellen der Anlagenbilder, Meldungen und Alarme in dieser Phase eine Herausforderung. Messstellengenerierung Ziel der effizienten Messstellengenerierung ist die weitgehend automatische Erstellung von Messstellen unter Verwendung von bereits projektierten Messstellentypen und den vorgegebenen Messstellenlisten. Für einen nahtlosen Datenaustausch zwischen verfahrenstechnischer Planung und leittechnischer Projektierung sorgen Software-Tools wie das Simatic PCS 7 Advanced Engineering System (AdvES) von Siemens. Es bereitet Daten für die Verwendung im PCS 7 Engineering System (ES) auf und stellt eine Anwendung zum Datenimport und zur Massenbearbeitung zur Verfügung. AdvES erkennt nach einmaliger Zuordnung die Messstellentypen und generiert automatisch die Messstelleninstanzen. Dieses Prinzip ermöglicht die Zusammenführung unterschiedlicher Benennungen mit derselben Bedeutung über die Prozessschnittstellen hinweg. Als Ergebnis entstehen so in Simatic PCS 7 die Technologische Hierarchie, Instanzmessstellen mit Signal- und Parametereinstellungen sowie die Hardware-Konfiguration. Grafikgenerierung Die Erstellung der Prozess- und Anlagenbilder zum Bedienen und Beobachten von Anlagen gestaltet sich wesentlich leichter, wenn die Basiselemente wie beispielsweise Einzelsteuerfunktionen mit entsprechenden Bedien- und Beobachtungssymbolen ausgestattet sind. Diese statischen oder dynamischen Symbole sind idealerweise in Bibliotheken organisiert und lassen sich bei der Projektierung der Prozessbilder automatisch in das entsprechende Bild einfügen. Über Bausteinsymbole können vorkonfigurierte Bildbausteine (Faceplates) aufgerufen werden. Diese dynamischen Bildelemente, die mit den Parametern des abgebildeten Bausteins verbunden sind, bilden die Grundlage für die Benutzungsoberfläche in Simatic PCS 7. So projektierte Prozessbilder werden in die zuvor automatisch erzeugte Technologische Hierarchie eingebunden, um dem Anlagenfahrer im Betrieb ein übersichtliches Bedienen und Beobachten des Prozesses zu ermöglichen. Meldungen und Alarme Damit Bediener über Ereignisse informiert werden, müssen diese angelegt sein. Je nach Ursprung unterscheidet man diverse Klassen von Meldungen. Leittechnik-Meldungen werden von Fehlern an Komponenten ausgelöst, die vom Leitsystem erkannt und gemeldet werden. In Simatic PCS 7 müssen diese nicht extra projektiert werden, da sie von den Funktionsbausteinen automatisch erzeugt werden und dort schon vorhanden sind. Prozessmeldungen, wie zum Beispiel Grenzwertverletzungen von Messwerten oder Betriebsmeldungen, informieren über Prozessereignisse. Diese sind bei Bausteinen aus der PCS 7 Systembibliothek ebenfalls schon vordefiniert, so dass keine gesonderte Projektierung mehr notwendig ist. Bei Bedarf lassen sich Meldetexte jedoch ändern und eine Meldepriorität in den Objekteigenschaften von Messstellentypen festlegen. Bedienmeldungen werden bei der Bedienung von Prozessgrößen erzeugt. Auch diese sind in den bereitgestellten Bildbausteinen bereits angelegt und werden automatisch generiert. Datenfluss bei Einsatz des Simatic PCS 7 Advanced Engineering Systems

11 White Paper Engineering auf der Überholspur September Sicherheitsapplikationen Sicherheitssysteme (Safety Instrumented Systems, SIS) spielen in verfahrenstechnischen Anlagen meist eine große Rolle. Die Definition und die Beschreibung der SIS-Anforderung in Form von Spezifikationen bilden die Grundlage für die Planung von Sicherheitsapplikationen. In der Spezifikation von Sicherheitsanforderungen stehen die funktionalen Beschreibungen der Sicherheitsfunktion und alle Bedingungen, die zu ihrer Auslösung führen. Mit Hilfe der Simatic Safety Matrix lassen sich die Sicherheitsfunktionen bereits in der Basisplanung erfassen, beschreiben und formulieren. Die Cause & Effects Matrix kann ohne Programmierkenntnisse von Verfahrenstechnikern mit Informationen versehen werden. Die Definition von Ursachen, deren Auswirkungen und des entsprechenden Verhaltens geschieht tabellenbasiert. Diese beschriebenen Sicherheitsfunktionen sind ohne Konvertierung, manuelle Anpassung o. ä. im Engineering-System von Simatic PCS 7 einsetzbar. Die Umsetzung in Programmabläufe erfolgt automatisch: Auf Basis von Messstellentypen erzeugt das Simatic Safety Matrix Engineering-Tool Logiken mit Funktionsbausteinen aus der Bibliothek für sicherheitsgerichtete Applikationen und generiert entsprechende Kanaltreiber für alle sicheren Eingabe-/Ausgabe-Kanäle. Wegesteuerungen Die Planung von Anlagen mit umfangreichen Wegeund Rohrleitungsnetzen und flexiblen Materialtransporten ist eine besondere Herausforderung. Sie kann optimal gemeistert werden, wenn sämtliche für den Materialtransport notwendigen technologischen Funktionselemente standardisiert in Bibliotheken verfügbar sind. Solche Bausteine können Schnittstellenbausteine für materialtransportspezifische Elemente wie Steuer-, Sensor- oder Sollwert- Elemente, Wege-Bausteine oder Ablauffunktionen sein. Für Simatic PCS 7 steht dafür die Route Control Bibliothek zur Verfügung. Der Route Control Assistent übernimmt automatisch wegesteuerungsspezifische Projektierungsdaten für den Import in das PCS 7 Projekt. Dabei führt er eine Plausibilitätsprüfung durch, definiert die Kommunikationsverbindungen und projektiert die entsprechenden Meldungen.

12 White Paper Engineering auf der Überholspur September Fazit Um die automatisierungstechnische Planung mit Simatic PCS 7 möglichst effizient zu gestalten, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. Zunächst sollte die Automatisierungsprojektierung möglichst frühzeitig in den Gesamtplanungsprozess eingebunden werden. Die Modularisierung von Anlagen aus automatisierungstechnischer Sicht erleichtert die Strukturierung des Projekts. Objektorientiertes Planen und die Wiederverwendung von Messstellentypen bzw. Musterlösungen durch das Typ/Instanz-Konzept sind dabei grundlegend. Zentral änderbare, standardisierte Funktionsbausteine selbst für höherwertige Regelungen sind in der leittechnischen Standardbibliothek von Simatic PCS 7 bereits vorhanden. Mit Hilfe dieser getesteten Bausteine kann der Engineering-Aufwand erheblich reduziert werden. Selbstverständlich lassen sich mit Simatic PCS 7 auch anwenderspezifische Bausteine komfortabel selbst erstellen und damit ganz individuelle Anforderungen flexibel realisieren. Dabei gilt es aber zu beachten, dass neben der Erstellung die Pflege und Wartung eigener Bausteine Ressourcen beanspruchen. Also heißt es genau abzuwägen, ob sich dieser Aufwand lohnt. Der Einsatz des Software-Tool AdvES erlaubt nicht nur den Import von Anlagendaten aus CAD/CAE-Werkzeugen, sondern ermöglicht auch die automatische Generierung der AS- Konfiguration durch Vervielfältigung von Messstellentypen und Musterlösungen sowie die Bearbeitung der Parameter. Dadurch ist eine schnelle und fehlerminimierte Projektierung gewährleistet. Die Generierung von Prozessbildern, Meldungen und Alarmen für instanzspezifische Module wie Ventile, Regler, Pumpen etc. erfolgt innerhalb der PCS 7 Projektierung automatisch. Für die Reduzierung von Projektierungsaufwand und -zeit ist es außerdem wichtig, den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Planungswerkzeugen zu optimieren. Standardisierte Schnittstellen erlauben den Datenaustausch über Gewerke- oder Werkzeuggrenzen hinweg. Das Simatic PCS 7 Advanced Engineering System kann hier mit eindeutig festgelegten Austauschmechanismen, standardisierten Schnittstellen, automatischer Datenkonsistenz und Plausibilitätsprüfungen wertvolle Dienste leisten. Zentrales Engineering sämtlicher automatisierungsspezifischer Gesichtspunkte einschließlich Chargenautomatisierung, Wegesteuerung, Sicherheitsapplikationen mit Hilfe aufeinander abgestimmter Werkzeuge und vorgefertigter Lösungen sichert nicht nur verkürzte Projektierungszeiten, sondern hat positiven Einfluss auf die Gesamt-Lebenszykluskosten. All rights reserved. All trademarks used are owned by Siemens or their respective owners. Siemens AG 2011 Siemens AG Industry Automation IA AS S MP Roland Wieser Karlsruhe Deutschland

13 White Paper Engineering auf der Überholspur September Literaturverzeichnis Alznauer, Richard / Auer, Karl / Fay, Alexander: Wiederverwendung von Automatisierungs-Informationen und -Lösungen. In: atp Automatisierungstechnische Praxis 45 (2003), Heft 3, S Au, Helmut von: Effizienzsteigerung im Anlagen-Engineering. (White Paper, Siemens AG, Industry Sector, März 2010, Fay, Alexander / Mühlhause, Mathias / Schleipen, Miriam u. a.: Wie kann man den Engineering-Prozess systematisch verbessern? In: atp Automatisierungstechnische Praxis , S Humphrey, David W. / Miller, Paul (Hrsg.): Modern Engineering Tools Drive Productivity in Manufacturing. (ARC White Paper, November 2010, ARCweb.com) IEC PAS Specification for representation of process control engineering requests in P&I Diagrams and for data exchange between P&ID tools and PCE-CAE tools, VDE- Verlag GmbH, Berlin. Lauber, Rudolf / Göhner, Peter (Hrsg.): Prozessautomatisierung. Bd. 2. Modellierungskonzepte und Automatisierungsverfahren, Softwarewerkzeuge für den Automatisierungsingenieur, Vorgehensweise in den Projektphasen bei der Realisierung von Echtzeitsystemen, Berlin Mayr, Gerald / Drath, Rainer: IEC PAS Grafische Darstellung PLT-Aufgaben und Datenaustausch zu Engineering-Systemen. Eine Norm für den interdisziplinären Austausch von Planungsdaten über die Gewerkegrenzen der Verfahrens- und Leittechnikplanung. In: atp Automatisierungstechnische Praxis 49 (2007), Heft 5, S Pfeiffer, Bernd-Markus / Lorenz, Otmar: Unit-orientierte Musterlösungen für Advanced Control. Beispiel Destillationskolonne. VDI-Berichte Nr. 2032, 2008, S SIMATIC Prozessleitsystem PCS 7 Engineering System (V7.1) Projektierungshandbuch, hrsg. v. Siemens AG, Nürnberg SIMATIC PCS 7 V7.1 GMP-Engineering Handbuch. Leitfaden zur Durchführung von Automatisierungsprojekten im GMP Umfeld, hrsg. v. Siemens AG, Industry Sector, Industry Automation, Karlsruhe Vogel-Heuser, Birgit (Hrsg.): Automation & Embedded Systems. Effizienzsteigerung im Engineering, Kassel (Embedded systems I, Tagungen und Berichte 1)

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