Aufgaben und Strukturen der Prozessleittechnik - 2

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1 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik Aufgaben und Strukturen der Prozessleittechnik - 2 VL Prozessleittechnik 1 SS 2013 Professur für Prozessleittechnik

2 Übersicht Einordnung des Themengebiets Prozessführung, Prozessleittechnik, Prozessleitsystem Historische Entwicklung Automatisierungsstufen, Sichtbare Veränderungen Aufgaben der PLT Basisaufgaben Automation, Basisaufgaben Information Strukturen und Architekturen Anforderungen, Funktions- und Ebenenmodelle, Komponenten Urbas PLT-1 Folie 2

3 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik Wiederholung: Aufgaben der Prozessleittechnik

4 Aufgaben der Prozessleittechnik Basisaufgaben Automation Messen und Wandeln von Prozessgrößen Steuern und Sichern durch Abarbeitung von Logikprogrammen Regeln zur Stabilisierung von Prozessgrößen Überwachen und Erkennen von (gefährlichen) Prozesszuständen Anzeigen: Darstellen von Prozessund Führungsgrößen Bedienen: Führende Eingriffe durch Bedienpersonal Basisaufgaben Information Archivieren: Bereitstellen von Information über lange Zeiträume Konfigurieren: Automatisches Erkennen und Einbinden von Sensoren und Aktoren Vermitteln: zwischen Unternehmensleitebene und Produktion Absichern: gegen unerlaubte aktive oder passive Zugriffe von innen oder außen Urbas PLT-1 Folie 4

5 Prozessleitsystem Ein Prozessleitsystem (PLS; engl. digital control system DCS) ist ein integriertes System zur technischen Realisierung der Aufgaben der Prozessleittechnik Marktvolumen: 12% des Automatisierungsmarktes für die Prozessindustrie Informationsdrehscheibe mit Schnittstellen zum Prozess und zu betrieblichen Informationsbedarfsträgern Monolithische Systeme / verteilte Systeme Anforderungen an PLS aus den verschiedenen Aufgaben Echtzeitfähigkeit Hohe Verfügbarkeit Offenheit & Interoperabilität Durchgängigkeit Urbas PLT-1 Folie 5

6 Echtzeitfähigkeit Vielfältige Definitionen, beispielsweise logische und zeitliche Determiniertheit Garantierte Einhalten von Zeitschranken Dauerhafte Bereitschaft zur Erbringung eines Dienstes Definition für PLT-1: Mit einem echtzeitfähigen System kann bei der Einhaltung bestimmter Vorgaben und Regeln beim Engineering eine Garantie abgegeben werden, dass die Wirkketten des Systems vorgegebene Deadlines unabhängig von dem aktuellen Prozesszustand einhalten werden Dies gilt auch für das Verhalten von Wirkketten bei erkennbaren technischen Ausfällen PLT-2 (Zuverlässigkeit, funktionale Sicherheit) Urbas PLT-1 Folie 6

7 Verfügbarkeit ( PLT-2) Kurzzeitige Ausfälle können zu hohen Ausfallkosten führen Fehlcharge, Wiederanfahren, Hohe Verfügbarkeit durch Redundanz von Hard- und Softwarekomponenten Unterbrechungsfreie Übernahme von Funktionen bei Störungen Wie muss eine hochverfügbare Leittechnikarchitektur aussehen? Wie kann man Verfügbarkeit berechnen? Urbas PLT-1 Folie 7

8 Offenheit und Interoperabilität Anlagen werden nicht als Inseln betrieben. Sie sind in den Informationshaushalt des Unternehmens zu integrieren Wirtschaftliche Daten, Betriebsführung, Logistik, Qualitätssicherung, Engineering Offenheit: Die jeweiligen Hersteller legen Schnittstellen und Systemeigenschaften offen, damit andere Anwendungen angekoppelt werden können. Interoperabilität: Unterschiedliche Komponenten unterschiedlicher Hersteller können ohne Zusatzaufwand miteinander betrieben werden. Urbas PLT-1 Folie 8

9 Durchgängigkeit ( CAE-PA) PLS bestehen aus unterschiedlichen Komponenten mit vielfachen internen Schnittstellen. Forderung nach einfacher Pflege Durchgängigkeit: Eine Prozessinformation, die irgendwo im System bekannt ist, muss ohne Zusatzaufwand jeder Komponente zugänglich sein Urbas PLT-1 Folie 9

10 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik Strukturen und Architekturen der Prozessleittechnik

11 Ebenenmodell Betrieb Produktion Prozessleitebene Feldebene Urbas PLT-1 Folie 11

12 Funktionsmodell Urbas PLT-1 Folie 12

13 Automatisierungspyramide Urbas PLT-1 Folie 13

14 Wandel der gerätetechnischen Grundstrukturen räumlich zentral, funktionell dezentrale Einzelregler, Bedienung über Einzelgeräte räumlich dezentral, funktionell partiell zentrale mehrkanalige Regler, Bedienung über BSG räumlich dezentrale und funktionell dezentrale Einzelregler, Bedienung über Bildschirmgeräte Urbas PLT-1 Folie 14

15 Urbas PLT-1 Folie 15

16 Urbas PLT-1 Folie 16

17 Urbas PLT-1 Folie 17

18 Aktuelle Systemkonzepte Urbas PLT-1 Folie 18

19 Systembus Struktur dezentraler PLS ABK: Anzeige-/Bedienkomponente PNK: Prozessnahe Komponente EK: Engineering Komponente (auch EWS Engineering Workstation) Kommunikation: Systembus, offener Betriebs-/Werkbus Chemische Prozesse, Anlagen, Apparate M Werk sbus Systeme der Betriebs-, Produktions- und Unternehmensleitebene Feldebene Prozessnahe Anzeige- und Bedienkomponenten (Sensoren, Aktoren) Komponenten (Bedienen und Beobachten) (Ein/Ausgänge,Prozessrechn er) Urbas PLT-1 Folie 19

20 Prozessnahe Komponente (PNK) Rechner, auf dem die prozessnahen Funktionen ablaufen (engl. process station PS oder process controller PC) Anschluss der Feldsignale über E/A-Gruppen oder Feldbus Komponenten: Stromversorgung * Prozessormodul (*) Schnittstelle zum Systembus * Schnittstellen zum Anschluss von Remote-I/O, Feldbusgeräte und andere intelligente Einheiten Spezialmodule, z.b. für Motorsteuerung, eigensichere Signale, Urbas PLT-1 Folie 20

21 Funktionen und Merkmale von PNK Funktionen Regeln und Steuern mit Zykluszeiten 1 bis 100ms Ausführen von Rezepten Spez. Regelalgorithmen (Fuzzy, MPC, DMC, ) Erkennen von Grenzwertverletzungen und Erzeugen von Meldungen mit Zeitstempel Merkmale Autonomer Betrieb Sicherheitsstellung bei Systemausfall Puffern von Prozesssignalen bei Kommunikationsausfall Mechanismen zum Upload/Austausch im laufenden Betrieb Urbas PLT-1 Folie 21

22 Offener Betriebs-/Werksbus De-facto Standard Ethernet + TCP/IP Anbindung von Betriebsleitsystem: Bilanzierung, Logistik, kaufmännisches und technisches Berichtswesen Laborautomatisierung (LAS), Labor-Informations-Managementsysteme (LIMS) Enterprise Ressource Planing-Systeme (ERP) Betriebliche PCs (Auswertung, Tabellenkalkulation) Produktionsplanung und steuerung Qualitätssicherung (ISO 9000, FDA) Expertensysteme Urbas PLT-1 Folie 22

23 Systembus Verbindet PNK untereinander und mit weiteren Komponenten des PLS (ABK, EK) Verwendung von Standards auf Schichten 1 und 2, darüber herstellerspezifisch redundante Ausführung PNK PNK : eigentlich Kommunikation mit Echtzeiteigenschaft erforderlich, häufig auch Ethernet mit 100 Mbit/s Urbas PLT-1 Folie 23

24 Kommunikation ISO/OSI Schichtenmodell (Details in der nächsten Vorlesung) Schicht 1: Kupfer-Koax, Lichtleiter Schicht 2: Token Bus (IEEE 802.4), Ethernet (IEEE 802.3) Schicht 3-4: häufig PLS intern weggelassen, nach außen meist TCP/IP Schicht 5-6: nicht ausgeprägt Schicht 7: PLS intern herstellerspezifisch, nach außen OPC, http Übertragungsraten Bis 100 Mbit/s Unterschiedliche Overheads Urbas PLT-1 Folie 24

25 Anzeige- und Bedienkomponente (ABK) Nahtstelle zwischen PLS und Anlagenfahrer Operator Station (OS), Human Machine Interface (HMI) Funktionen Standardbedienbilder Freie Grafik Rezepterstellung, Verwaltung und Beobachtung Alarmbehandlung Datenauswertung Systemdiagnose Strukturen Client-Server Gleichberechtigte ABKs Urbas PLT-1 Folie 25

26 Engineering-Komponente (EK) Konfigurieren der Systemfunktionalität (engl. engineering station ES) Definition der Funktion von PNK und ABK durch Verknüpfen und Parametrieren von Softwarebausteinen Heute meist grafische Konfiguration mit domänenspezifischen Sprachen Funktionsbausteine (FBS), engl.: Continous Function Chart (CFC) Ablaufsteuerung (AS), engl.: Sequential Function Chart (SFC) Urbas PLT-1 Folie 26

27 Funktionsintegration Integration höherer IV-Funktionen der Prozessführung Advanced Control (APC), Messwertvalidierung (DR), Qualitätsmanagement (QM), Labor (LMS), Logistik (SD), Asset Management (AM),... Verlagerung in die Prozessleittechnik Vernetzung mit der Prozessleitebene ERP Betrieb Produktion Prozess Feld ERP (SAP) QM LMS SD APC DR AM PLT Urbas PLT-1 Folie 27

28 Hochverteilte Systeme Neue Bussysteme und Fortschritte in der Rechnertechnik Industrial Ethernet Intelligente Geräte Engineering Methoden für verteilte Systeme Entwurf und Verifikation verteilter Hard- und Softwaresysteme IEC Function blocks (FB) for process control IEC Distributed Function Blocks Dienstetechnologien aus dem Internetumfeld (SOA, peer-to-peer, Agentenframeworks,...) Urbas PLT-1 Folie 28

29 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik PLS vs. SPS

30 PLS vs. SPS Bis 90 er Arbeitsteilung SPS Steuerung niedriger Komplexität, überwiegend binäre Signale, sicherheitsgerichtete Logik, Systemhalt bei Rekonfiguration möglich PLS Regelung hoher Komplexität, enge Verknüpfung der Teilprozesse, analoge Signale, online-rekonfiguration notwendig Heute: SPS-basierte Prozessleitsysteme Siemens PCS7 ABB 800xF Urbas PLT-1 Folie 30

31 Konzepte bewegen sich aufeinander zu (Felleisen 2001) Komplexität hoch Verbesserte Logikkomp. PLS Anzahl Regelkreise >300 Hierarchische SPS-Systeme Kleine standalone Systeme niedrig SPS Verbesserte Regelungskomp. <50 Steuern und Regeln Urbas PLT-1 Folie 31

32 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik Komponentenarchitekturen

33 Generische Strukturen (Karnouskos et al. 2010) Urbas PLT-1 Folie 33

34 Honeywell TDC3000 Urbas PLT-1 Folie 34

35 Foxboro I/A Series Urbas PLT-1 Folie 35

36 Siemens PCS7 Urbas PLT-1 Folie 36

37 Literatur DIN EN Speicherprogrammierbare Steuerungen, Programmiersprachen DIN Graphische Symbole und Kennbuchstaben für die Prozessleittechnik DIN 19222V Leittechnik Begriffe Favre-Bulle, B.: Automatisierung komplexer Industrieprozesse. Wien : Springer-Verlag, 2004 Früh, K.F., Maier, U. (Hrsg.): Handbuch der Prozessautomatisierung. München : Oldenbourg Industrieverlag, 2004 Felleisen, M.: Prozessleittechnik für die Verfahrensindustrie. Oldenbourg Industrie Verlag Karnouskos, St., Colomboy, A.W., Jammesz, F., Delsing, J., and Bangemann, Th.: Towards an Architecture for Service-Oriented Process Monitoring and Control. In: Proceedings IECON 2010, S , doi: /iecon Kopec, H. and Maier, U.: Critical annotations on present distributed control systems. atp - Automatisierungstechnische Praxis, 47(3), 24 28, Polke, M.: Prozessleittechnik. Oldenbourg Industrie Verlag, 1992 Urbas, L.: Process Control Systems Engineering. Oldenbourg Industrieverlag, 2012 VDI/VDE 3699 Prozessführung mit Bildschirmen Urbas PLT-1 Folie 37