Engineering und Integration eingebetteter Systeme in der Automatisierung. Dr. Ulrich Löwen, Siemens AG

Transkript

1 Engineering und Integration eingebetteter Systeme in der Automatisierung Dr. Ulrich Löwen, Siemens AG

2 Partner Partner Siemens AG Embedded4You e.v. Bereich Corporate Technology, Project Engineering, ENG Corporate Technology, Modeling, Simulation, Optimization, MSO Corporate Technology, Requirements Engineering, REN Corporate Technology, System Development Techniques, SDT Firmen Elma Trenew GmbH, FTI Group, N.A.T. GmbH, MicroSys GmbH, RST Industrie-Automation GmbH XiSys Software GmbH und IMACS GmbH TÜV SÜD AG TÜV SÜD Automotive GmbH, Competence Center Elektronik Sicherheit TUM München Lehrstuhl Embedded Systems and Robotics (Prof. Knoll)

3 Einsatz von Embedded Systems in allen Feldern Automatisierungstechnik Gesamtanlage z.b. Automobilfertigung, Walzwerk Integrierte Teilsysteme z.b. Montagezelle, Produktionslinie, Walzstraße Maschinen z.b. Roboter, CNC- Maschine, Walzgerüst Automatisierungsgeräte z.b. SPS-Steuerungen, Antriebe, Spezialgeräte 1 Menge gleicher Systeme n Embedded Systems als Systems of Systems (Geräte, mechatronische Komponenten und Maschinen zu Lösung integriert) Embedded Systems Embedded Systems auf jeder Ebene der Integrationskette

4 Strukturierung der Arbeiten Entwicklung Embedded Systems Methoden für Modellierung und Validierung bei der Entwicklung von Automatisierungsgeräte-Software Integration zu Systems of Systems Methoden für Modellierung und simulative Validierung bei der Integration von Automatisierungsgeräten bzw. mechatronischen Komponenten zu Anlagen Tools Integrierte Betrachtung zur Schaffung durchgängiger Modelle und Prozesse Werkzeugunterstützung von Entwicklungs- und Engineeringprozessen In der Automatisierung

5 Herausforderung im Anwendungsgebiet Automatisierung Herausforderung: gegenseitiges Verständnis Forschungspartner: Problemstellung in der Automatisierungstechnik Industriepartner: Anwendung der Modellierungskonzepte Industriepartner Modellierung automatisierter Anlagen unter Nutzung langjährig etablierter Konzepte und Werkzeuge Forschungspartner Vorschlag zur Modellierung von eingebetteten Systemen in Form des SPES Metamodells Vorgehen Gemeinsame Bearbeitung eines repräsentativen, aber überschaubaren Beispiels

6 Embedded Systems Systemumgebung 4-Ebenen Metamodell in der Automatisierung Ebene 4 Automatisierungshardware Automatisierungsgerät Automatisierungsgerät Ebene 3 Automatisierungssoftware Automatisierungsfunktion Automatisierungsfunktion Automatisierungsfunktion Ebene 2 Technisches System Technische Ressource Technische Ressource Ebene 1 Technischer Prozess Produkt Teilprozess Operation Produkt Teilprozess Operation Produkt Prozessfluss Ortsbezug Wirkbeziehung Kommunikation

7 SPES Metamodell versus 4-Ebenen Metamodell in der Automatisierung SPES Viewpoint Ausprägung im Ebenen Metamodell in der Automatisierung Applikationsspezifische Ausprägungen (Beispiele) Requirements Ebene 1: Technischer Prozess Implizite Ableitung der Anforderungen an die technischen Ressourcen anhand der Prozessbeschreibung Fließtext Functional Ebene 1: Technischer Prozess Folge von Prozessoperationen, mit denen Rohmaterialien in Endprodukte transformiert werden Prozessfluss Diagramm Bill of Operations (BOO) Funktionelle Architektur Logical Ebene 2: Technisches System Ebene 3: Automatisierungssoftware Alle technischen Ressourcen der Anlage (Maschinen, Apparate) zur Ausführung des technischen Prozesses Erforderliche Automatisierungsfunktionen zur Steuerung des Prozesses der Ebene 1 mittels der Ressourcen der Ebene 2 Anlagen Layout (CAD Model) Materialflussdiagramm R&I Fließschema Steuerungshierarchie Mess- und Regelstellen Liste Sequential/Continuous Function Chart Technical Ebene 4: Automatisierungshardware Alle elektrischen und elektronischen Geräte zum Messen, Steuern und Regeln technologischer Prozesse zur Ausführung der Automatisierungssoftware Stücklisten: Antriebe, Sensoren Hardware/Netzwerk Konfiguration Pin- & Belegungslisten

8 Beispielhafte Abbildung des SPES Metamodells auf die Automatisierung Collision avoidance IF Cranex = moving AND Craney = moving towards home position ELSEIF Cranex = not moving AND Craney = moving AND direction (Craney) = home position ELSEIF Cranex = moving AND Craney = moving AND position (Craney) > position (Cranex) AND x=1 SensorData WPDetect SensorData StatusSB CranePos Status Status JobC1 PositionC1 StatusC1 Start up in auto mode CraneMove CranePos StationStatus BandStatus BandMove Command <<Manual Control>> JobC1 PositionC1 StatusC1 StatusSB AutoMode CraneCtrl BandCtrl ProcessData Status1-4 JobC2 StatusDB StatusC2 PositionC2 Status1-4 <<Manual Control>> CraneCtrl BandCtrl ProcessData JobC2 CraneMove BandMove Command PositionC2 StatusC2 CraneMove BandMove PLC Perfomance = S400 StatusDB Process flow deadlock avoidance Crane job only if next station is empty Home-Position if no more job exists Schedule job order acc. to available stations WPMove WPMove SPES Viewpoint Requirements SPES Engineering Werkzeugkette In der Automatisierung oft nur informell beschrieben Functional Ebene1: Technischer Prozess Only one workpiece per <<OperationalActivity>> production cell Grinding Transport of work pieces only if next station is empty dimensions and weight <<alternative flow>> <<OperationalActivity>> <<OperationalActivity>> Supply Milling <<OperationalActivity>> Assembly Additives <<OperationalActivity>> Measuring <<OperationalActivity>> Delivery Additives have to be provided In case of dimension fault further treatment has to be assured by transport unit Übersichtsdarstellung der geplanten Bearbeitungsstationen und des technischen Prozesses in COMOS Logical Ebene 2: Technisches System Ebene 3: <<LogicalComponent>> <<LogicalComponent>> <<LogicalComponent>> <<LogicalComponent>> Crane1 Production cell 1-4 Crane2 DeliveryBand vielfältige applikationsspezifische Ausprägungen <<LogicalComponent>> ProductionJobManager <<LogicalComponent>> SupplyBand Automatisierungssoftware einheitliches Beschreibungsmittel versus 3D CAD der Geometrie im Mechatronic Concept Designer CFC der Kransteuerung in SIMATIC PCS 7 Technical Ebene 4: Automatisierungshardware <<Sensor>> CranePositionSensor <<Sensor>> StationSensor <<Sensor>> BandSensor <<HWDevice>> <<Actuator>> SPS CraneMotor I/O <<Actuator>> BandMotor I/O <<HWDevice>> OperatorPanel <<Actuator>> Crane <<Actuator>> Band Netzwerk der Automatisierungsgeräte im SIMATIC HW-Konfig Siemens SIMATIC S7 Speicherprogrammierbare Steuerung

9 Abstraktionsebenen Abwicklungs-Modell versus Artefakt-Modell EMF 50% Ext. Spec. 50% Produkt Bauteile wählen, Verfahrgeschwindigke iten eintragen etc. Zylinderliste 95% Grauzone Sicherheit Ölmenge berechnen Mechaniker MCL generieren Ölmenge und Spec Anlage konzipieren Stichplan *.xls Technologe EMF 50% Vertrag 100% Spezifikation ~EMF MCL 60-80% Rev. 0 Fluids 95% Plant Layout 60-80% Vertragsstand Layout Schemata etc. Mainpiperouting Rohrführung Layout Aufstellorte Stationen Automatisierer Anforderungen f. Technologische Messgeräte erarbeiten MechDesign 100% Main Motor approval MechDesign 100% VVF Drives approval Kunde durchsprechen hinsichtlich Prozess MechDesign 100% Fix Speed Drives approval Mechaniker Detaillieren Prüfen Rückmeldung Vollständigkeit WER plant? Umfangreiche Gespräche zwischen SE, SM und Subsupplier f. technologische Messgeräte Dimension Drawings 100% Main;VVF; Fix Drives Drives Bestellung Main Motor Drives Bestellung VVF Drives Drives Bestellung Fix Speed Durchbrüche Bau Fundamente Bau Komponenten bestellen MCL 60-80% Rev. 6 +Motoren 100% EMF 70% Dimension 100% Drawings Technologische Messgeräte Automation HW Design listen Fremdfertigung Komponenten bestellen Sensor MCL Stand überprüfen auf Konsistenz I/O List 90% EMF 95% Abnahme der Anlage, ohne techn. Prozess MCL 90% Rev 10 +Sensoren 100% Mech. Integrator Plant Integrator Berücksichtigt Feedback Automation programmieren meldet unschärfen MCL 100% ext. Einflüsse EMF 100% Ext. Spec. 100% Engineering Prozess Concept Engineering Requirements Basic Engineering Require- - ments Detail Engineering Installation, Commissioni ng Engineering in Automatisierungstechnik ist stark prozessgetrieben Komplexe Engineering Workflows Functional Functional Functional Functional Logical Logical Logical Technical Technical Technical Requirements Viewpoints Functional Logical Technical Wie wende ich das SPES Metamodell an Wann betrachte ich welchen Viewpoint? Wann betrachte ich welche Abstraktionsebene

10 Generierter Nutzen der methodischen Fundierung Operative Anwendung der Modellierungsmethodik bei Systemintegratoren durch Review existierender Modelle/Artefakte Coaching ausgewählter Mitarbeiter Best Practice Exchange Strategische Weiterentwicklung der domänenspezifischen Engineering-Werkzeuge Fokussierung auf Anwendungssicht Vergleichbare, objektive Kriterien 2 nd Opinion für strategische Roadmap

11 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! und weitere