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Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik
VL Prozessleittechnik 1 SS 2013
Professur für Prozessleittechnik
Aufgaben und Strukturen der 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
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Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik
Wiederholung: Aufgaben der Prozessleittechnik
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 Prozess- und 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
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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
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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)
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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?
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.
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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
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Strukturen und Architekturen der Prozessleittechnik
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Ebenenmodell
• Betrieb
• Produktion
• Prozessleitebene
• Feldebene
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Funktionsmodell
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Automatisierungspyramide
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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
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Aktuelle Systemkonzepte
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Struktur dezentraler PLS
• ABK: Anzeige-/Bedienkomponente
• PNK: Prozessnahe Komponente
• EK: Engineering Komponente (auch EWS Engineering Workstation)
• Kommunikation: Systembus, offener Betriebs-/Werkbus
Prozessnahe Komponenten (Ein/Ausgänge,Prozessrechner)
Anzeige- und Bedienkomponenten (Bedienen und Beobachten)
M
Feldebene (Sensoren, Aktoren)
Systeme der Betriebs-, Produktions- und Unternehmens- leitebene
Chemische Prozesse, Anlagen, Apparate
Syste
mbus
Werksbus
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, …
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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
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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
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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
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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
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
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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)
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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
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PLT
ERP (SAP)
ERP Betrieb
Produktion Prozess
Feld
QM LMS SD
APC DR AM
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 61804 Function blocks (FB) for process control
IEC 61499 Distributed Function Blocks
Dienstetechnologien aus dem Internetumfeld (SOA, peer-to-peer, Agentenframeworks, ...)
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PLS vs. SPS
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
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Konzepte bewegen sich aufeinander zu (Felleisen 2001)
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PLS
SPS
Anzahl Regelkreise
>300
50-300
<50
Steuern und Regeln
Komplexität
hoch
niedrig
Verbesserte Regelungskomp.
Kleine stand- alone Systeme
Verbesserte Logikkomp.
Hierarchische SPS-Systeme
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Komponentenarchitekturen
Generische Strukturen (Karnouskos et al. 2010)
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Honeywell TDC3000
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Foxboro I/A Series
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Siemens PCS7
Literatur
• DIN EN 61131 Speicherprogrammierbare Steuerungen, Programmiersprachen
• DIN 19227 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 2001.
• 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. 1385–1391, 2010. doi:10.1109/IECON.2010.5675482
• Kopec, H. and Maier, U.: Critical annotations on present distributed control systems. atp - Automatisierungstechnische Praxis, 47(3), 24–28, 2005.
• Polke, M.: Prozessleittechnik. Oldenbourg Industrie Verlag, 1992
• Urbas, L.: Process Control Systems Engineering. Oldenbourg Industrieverlag, 2012
• VDI/VDE 3699 Prozessführung mit Bildschirmen
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