Formale Modelle des PT/PLT-Engineerings (1/2)

Transkript

1 CAE in der Prozessautomatisierung Formale Modelle des PT/PLT-Engineerings (1/2) SS 2013, Professur für Prozessleittechnik

2 Übersicht (1) Motivation (2) Datenintegration (3) ISO (4) XMpLant Folie 2

3 Die Digitalen Anlage im Lebenszyklus (Urbas 2012, in Anlehnung an VDI ) Planung Anlage Betrieb Folie 3

4 Ziel Digitale Anlage Die Digitale Anlage ist der Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden. Ihr Ziel ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Anlage in Verbindung mit dem Produkt Folie 4

5 Ausgangspunkte Herausforderungen Engineering von Anlagen ist ein stark arbeitsteiliger und interdisziplinärer Prozess in Phasen umfangreiche Abhängigkeiten in den Organisations- und Datenstrukturen für die Anlagenplanung zugestandenen Zeiten werden immer kürzer und die Qualitäts-, Sicherheits- und Umweltanforderungen steigen stetig Effizienzsteigerung, d.h. Kosten- und Aufwandsminimierung bei gleichzeitiger Verbesserung der Arbeitsleistungen und Ergebnisse Folie 5

6 Ausgangspunkte Lösungen Beschäftigung von mehr qualifizierten Mitarbeitern Kosten und Qualifizierungsaufwand entstehen Auslagerung von Engineeringleistungen (z.b. in Package Units) Änderungsverfolgung, -kontrolle und Datenintegration notwendig Übergang von einer streng chronologischen zu einer in einem gewissen Maße simultanen (concurrent) Vorgehensweise Änderungsverfolgung und kontrolle notwendig (Management of Change; Revisionsüberwachung) semantischen Abhängigkeiten müssen zeitlich entkoppelt werden, um Inkonsistenzen der Daten zu verhindern Iterationsschritte werden notwendig Folie 6

7 Ausgangspunkte Lösungen Folie 7

8 Ausgangspunkte Lösungen Verwendung von besseren (moderneren) Werkzeugen Kosten und Qualifizierungsaufwand entstehen Etablierungssicherheit muss hinterfragt werden (Wiederverwendung von vorhandenen Planungsergebnissen aus Vorprojekten) Nutzung von Standardrealisierungen über mehrere Engineeringphasen (Typicalkonzepte) Engineeringaufwand vor eigentlicher Projektbearbeitung entsteht Verbesserung der Weiterreichung (Integration) von Daten und Informationen im gesamten Lebenszyklus Anpassung von CAE-Systemen und Entwicklung Integrationskonzepten notwendig Folie 8

9 Problemstellungen für Datenintegration Engineeringdaten und deren Informationsfluss sind an viele Anforderungen und Randbedingungen gebunden Datenrepräsentation zeitlichen Integration über alle Lebensphasen Aktualität und Wiederverwendbarkeit Informationssuche und -bereitstellung eine Vielzahl spezialisierter und gewerkespezifischer CAE-Systeme müssen zum Einsatz kommen Folie 9

10 Datenrepräsentation Datenrepräsentation unterschiedliche Orte in den Köpfen der Ingenieure auf Dokumenten in elektronischer und Papierform in Datenbanken basierend auf verschiedensten Datenmodellen DB unterschiedliche Formate Folie 10

11 zeitliche Integration Pläne, Anleitungen, Checklisten, gewerkeübergreifende Engineeringdaten Handbücher, Protokolle, Gerätezustände, Anlagengeschichte, Vorgaben (Prozess, Zeit, Finanzen, ) Anlagen- & Prozessdaten, Instandhaltungsvorgaben, eingesetzte Stoffe und Materialen, Montagepläne, CAE@PA Folie 11

12 zeitliche Integration Aktualität und somit Qualität von Informationen und Daten sind bei fehlender Integration und schlechter Informationsbereitstellung sehr mangelhaft unternehmerische und planerische Entscheidungen werden dann auf überholten, fragmentarischen und inkonsistenten Daten getroffen und führen dann zu Fehlinvestitionen und erheblichen Mehraufwand in Folgephasen Zeitliche Integration und ein gutes Changemanagement können Investitions- und Planungssicherheit verbessern CAE-Systeme sollten dazu beitragen können Folie 12

13 Informationssuche und -bereitstellung Durchschnittlich 67 Minuten am Tag suchen Mitarbeiter europäischer Unternehmen nach Informationen. Bei einem mittelgroßen Betrieb mit 1000 Mitarbeitern und einem durchschnittlichen Gehalt von Euro summieren sich die Kosten der ineffizienten Informationssuche auf acht Millionen Euro pro Jahr. (Bittermann, 2008) Folie 13

14 CAE-Werkzeugvielfalt in allen Lifecycle-Phasen kommen eine Vielzahl unterschiedlichster CAE-Systeme zum Einsatz (Je nach Gewerk, eigene, auf ihre Umgebung optimierte CAE- Systeme) Einsatzgründe: hist. großer Marktanteil und weite Verbreitung Speziallösungen; besondere Funktionen (features) Zwang (z.b. teilweise bei Entwicklungsumgebungen von Steuerungen) Folie 14

15 CAE-Werkzeugvielfalt Vielzahl unterschiedlichster CAE-Systeme Verfahrensentwicklung: Simulationswerkzeuge zur Prozessmodellierung wie z.b. AspenPlus, UniSim, Matlab Apparate- und Rohrleitungsplanung: Konstruktionswerkzeuge wie z.b. AutoCAD, MicroStation, PDS 3D Instrumentierung (PLT-Hardware): Spezifikation und Planung der EMSR-Technik mit z.b. SmartPlant Instrumentation, Comos, PRODOK Instrumentierung (PLT-Software): Steuerungs- und Regelungsprogrammentwurf mit z.b. logidoc, Comos, Elektroplanung: Planung der Energieversorgung und verteilung mit z.b. EPLAN, SmartPlant Electrical, Comos weitere für bspw. die Konfiguration der Feldgeräte und Steuerungen und die Instandhaltung der Anlage Folie 15

16 Datenintegration Datenintegration in CAE-Systeme notwendig um die Daten im Lifecycle einer Anlage zur Verfügung zu haben Folie 16

17 Datenintegration Möglichkeiten der Datenübertragung worst case: Datenübernahme per Hand average case: Generierung der Daten aus übergebener Datenbank best case: konsistente und gewerkeübergreifende Datenhaltung über den gesamten Anlagenlebenszyklus Ansätze zur digitalen Datenintegration Punkt-zu-Punkt Integration zentrales Data Warehouse verteiltes Data Warehouse Folie 17

18 Datenintegration-Lösungsansätze Punkt-zu-Punkt Integration jede CAE-Anwendung besitzt eigene Datenhaltungskomponente und je eine direkte Schnittstelle zu anderen CAE-Anwendungen CAE-Tool B DB CAE-Tool A CAE-Tool Z DB DB CAE-Tool K DB CAE-Tool H DB n*(n-1) Schnittstellen Vorteil: keine Absprache zwischen Herstellern der Tools notwendig Nachteile: Einbinden neuer Tools bzw. Toolupgrade sind sehr aufwändig, Änderungen schwer zu verwalten und nachvollziehbar sehr unflexibel und teure Pflege Integrationspunkte CAE@PA Folie 18

19 Datenintegration-Lösungsansätze zentrales Data Warehouse zentralisierte Datenintegration mittels einer Datenbank MOAD Mother of all Databases CAE-Tool A CAE-Tool H CAE-Tool B CAE-Tool K CAE-Tool Z Data Warehouse (MOAD) 2*n Schnittstellen Vorteile: ein Datenmodell für alle Anwendungen, Datenstand ist immer konsistent Nachteile: Komplexität der Datenmodelle (Anpassungen aufwändig), Performanceschwierigkeiten (Datenbankauslastung, Datenübertragung), Modularität eingeschränkt (neue Tools (Module) müssen direkt auf zentraler Datenbank aufsetzen) CAE@PA Folie 19

20 Comos PT Applikation für zentrales Data Warehouse Folie 20

21 Datenintegration-Lösungsansätze verteiltes Data Warehouse dezentrale Datenhaltung jedes CAE-Tools und Integration über eine zentrales Data Warehouse mittels Adapter CAE-Tool A CAE-Tool H CAE-Tool B CAE-Tool K CAE-Tool Z DB A DB A DB A DB A DB A Data Warehouse 2*n Schnittstellen Vorteile: Datenmodelle der Anwendungen können unterschiedlich sein, Ankopplung neuer Tools bzw. Toolupgrades nur auf Adapterebene Nachteil: ständig konsistenter Datenstand nicht garantiert CAE@PA Folie 21

22 SmartPlant Enterprise Applikation für verteiltes Data Warehouse Application Application SmartPlant Foundation Application Application Folie 22

23 Datenintegration-Lösungsansätze Normenansätze zahlreiche Ansätze wurden in den letzten 2 Jahrzehnten verfolgt den Austausch von Informationen und Daten zu standardisieren Vereinheitlichung des Datenmodells (Datenhaltung) zentrales Data Warehouse Vereinheitlichung des Datenaustausches verteiltes Data Warehouse STEP (ISO 10303) ISO XMpLant CAEX PandIX NE CAE@PA Folie 23

24 ISO Einführung This International Standard specifies a representation of information associated with engineering, construction and operation of process plants. This representation supports: the information requirements of the process industries in all phases of a plant s life-cycle; sharing and integration of information amongst all parties involved in the plant s life-cycle. The following are outside the scope of ISO 15926: commercial, business, and administrative data that are not directly related to the engineering, operation and maintenance of process plants CAE@PA Folie 24

25 ISO Entstehung Die Ansätze von PI-STEP (BP, Shell, AMEC), POSC Epicentre Datenmodel (CAESAR -Norwegen), EPISTLE Datenmodell (Shell Niederlande) und USPI-NL Industry Organization (Dänemark) wurden unter der Organisation PIEBASE (Process Industries Executive for Achieving Business Advantage Using Standards for Data Exchange) zusammengeführt und an ISO weitergegeben. Gestaltung des Standards wird unter Federführung POSC/CAESAR (Petrotechnical Open Standards Consortium) und FIATECH (amer. Industriekonsortium) vorangetrieben Folie 25

26 ISO Grundlagen (L. v. Wedel 2012) Teil 2 Datenmodell Teil 4 Referenzdaten Teil 7 Template-Methodik Teil 8 RDF / OWL Teil 9 Fassaden Grammatik einer Sprache Wörterbuch Phrasen & Sätze Schrift / Papier Bücher lesen CAE@PA Folie 26

27 ISO Aufbau ISO besteht aus 11 Teilen Teil 1: Überblick und Prinzipien Teil 2: Datenmodell Teil 3: Referenzdaten für Geometrie und Topology Teil 4, 5, 6: Referenzdaten Teil 7: Umsetzung mit Templates Teil 8: Umsetzung mit Semantic Web Technologien Teil 9: Implementierung Teil 10: Test Methoden Teil 11: Industrial Usage Guidelines Folie 27

28 ISO Teil 1: Ziele des Standards Verwaltung der Informationsanforderungen der Prozessindustrie und Integration der Informationen entlang aller beteiligten Gewerke Definition eines generisches Datenmodels, welches die aufkommenden Daten in allen Phasen eines Anlagen-Lebenszyklus abdecken soll Erstellung von allgemein gültigen Referenzdaten Definition von Prozeduren zur Pflege und Erweiterung der Referenzdaten Methoden zur Entwicklung von Vorgaben zum Datenaustausch (Mapping) zwischen dem Datenmodel und externen Daten Folie 28

29 ISO Teil 1: Überblick und Prinzipien Process plant life-cycle activity model Ein alter Bekannter (ISO ) Folie 29

30 ISO Teil 1: Begriffsdefinitionen: (Beispiele) Individual thing that exists in space and time Reference Data process plant life-cycle data that represents information about classes or individuals which are common to many process plants or of interest to many users Data Warehouse data store in which related data are merged to provide an integrated set of data containing no duplication or redundancy of information, an which supports many different application viewpoints Folie 30

31 ISO Teil 2: Datenmodell Beschreibung 201 verschiedene Entitäten inklusive deren Attribute Entitäten sind in hierarchischen Strukturen gliederbar Attribute sind Verweise auf weitere Entitäten oder Datentypen Relationen und Aktivitäten werden definiert und präsentieren wieder Entitäten Wurzel ist das Element thing Folie 31

32 ISO Teil 2: Datenmodell thing: A thing is anything that is or may be thought about or perceived, including material and non-material objects, ideas, and activities. Every thing is either a possible individual, or an abstract object. possible individuals are entities that exist in space and time, including physical objects like a compressor or imaginary individuals like Sherlock Holmes. A possible individual has a life cycle bounded by beginning and ending events CAE@PA Folie 32

33 ISO Physical Object a physical_object is a distribution of matter and/or energy in time and space physical_objects are always a part of space and usually, though not necessarily, have a non-zero temporal extension. materialized_physical_objects are physical_objects that consist of the same or slowly changing material or energy during their existence. This includes most of what are often described as concrete objects. e.g. mechanical pump CAE@PA Folie 33

34 ISO Functional physical object functional_physical_objects are physical_objects based on continuity of intended function. The material that makes up the object can be completely changed, provided the intended function of the individual remains the same Folie 34

35 ISO Class A class is a category, sort or a division of things with some common nature Classification allows something to be a member of many classes. Example: CAE@PA Folie 35

36 ISO Teil 2: Datenmodel - Diagrammtypen Space-time Maps Darstellung konkret existierende Instanzen im Datenmodell Model Diagrams Beschreibung der Beziehung zwischen den einzelnen Entitaten. Instance Diagrams Erklärung durch Beispiele CAE@PA Folie 36

37 ISO Teil 4: Referenzdaten is like the definitions of terms in a natural language; similar to a dictionary or thesaurus. Referenzdatenbibliothek zur Darstellung von Standard elementen Pipe; Valve; Pumpe frei verfügbar JORD Project: DEXPI Project: Fiatech (2011) CAE@PA Folie 37

38 ISO Teil 4: Beispiel Centrifugal Pump: Plant Location has Plant Object: haspart: haswhole Site) Plant Location: Folie 38

39 ISO Teil 9: Facaden sollen den netzwerktransparenten Zugriff auf Anlagendaten ermöglichen Schnittstellen gegen die eine Nutzeranwendung kommuniziert Webserver mit einheitlicher API Folie 39

40 ISO Anwendung - Intergraph hat mit Statoil in der Umgebung SmartPlant Foundation die ISO implementiert - Bentley biete mit OpenPlant eine Sammlung von Anwendungen, deren Datenformat ISO konform sind - Aveva - Aveva Plant CAE@PA Folie 40

41 Kritik an ISO B. Smith (2006) Against Idiosyncrasy in Ontology Development ISO ist keine Ontologie, sondern lediglich ein schlecht definiertes Datenmodell ISO verletzt The principle of intelligibility The principle of openness The principle of simple tools The principle of re-using available resources The principle of terminological moderation The principle of intelligible definitions The principle of terminological coherence The principle of compositional term construction Kritik an der Kritik Folie 41

42 XMpLant Übersicht (L. v. Wedel 2012) Halb-offene Technologie der Fa. Noumenon XML als technische Basis Schema frei verfügbar Kommerzielle Komponente: Modellgenerierung Implementiert nach Part 2-4 der ISO Unterstützt Austausch von Grafik und einfach strukturierter Daten Erste Implementierungen in vielen gängigen CAE- Werkzeugen Folie 42

43 XMpLant Modell Folie 43

44 XMpLant Zusammenfassung ISO gewinnt zunehmend an Bedeutung XMpLant ist ein guter Start Teilweise ISO kompatibel (gleiches Vokabular) Gemeinsame Datenstruktur auch später nützlich Aber: Anwendungsbereich begrenzt Erweiterung auf Lebenzyklus, Datenintegration, etc. schwierig Parallele Betrachtung der ISO-OWL Modellierung notwendig XMpLant = Brückentechnologie zur ISO Einführung DEXPI Projekt CAE@PA Folie 44