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Verkürztes Time to market bei Großtechnologie


21.02.1997 - 

Durchgängiges Projektieren und Simulieren von Prozessen

Die Durchgängigkeit der Daten einer Anlage über alle eingesetzten Systeme hinweg müssen Projektierungswerkzeuge sicherstellen. Sie sorgen dafür, daß einmal eingegebene Daten, egal ob von einem CAD-Werkzeug oder aus anderen Datenquellen, über Systemgrenzen hinweg in jeder Anwendung als statisches Anlagenabbild zur Verfügung stehen. Dieses Vorgehen garantiert, daß etwa ein Meßwert in allen folgenden Systemen (Feldbus, Automationsstation, Bedien- und Beobachtungssystem, Management-System etc.) ohne zusätzlichen Projektierungsaufwand automatisch bekannt ist.

Dynamische Beschreibung durch Simulation

Ein zweiter zentraler Aspekt ist die dynamische Beschreibung der Anlagenabläufe durch Simulationsmodelle, die über eine komfortable Oberfläche zu einer "virtuellen Anlage" verschaltet und dann automatisch an das Automatisierungssystem angebunden werden. Der Prozeßtechniker ist dann in der Lage, mit dem Bedien- und Beobachtungssystem Projektierungsleistungen zu überprüfen und Schulungen unter Anlagenbedingungen durchzuführen. Die hier geschilderten IT-Möglichkeiten werden heute schon genutzt.

Eine Anlage hat immer eigenständige Lösungen. Es müssen Kundenwünsche integriert, landesspezifische Gegebenheiten, technische Normen und gesetzliche Bestimmungen berücksichtigt werden. Der Technologe fordert Automatismen zum Erstellen, Testen und Ändern der Anlagensoftware sowie automatische Bit-Verknüpfung mit der Prozeßinstrumentierung. Der Lieferant von Anlagenlösungen, zum Beispiel ein Kraft- oder Walzwerk, ferner Verkehrsleit-, Schiffsbau- oder Prozeßtechnik etc., hat ein Interesse daran, die Zeiten für Projektierung, Tests und Inbetriebnahme zu verkürzen. Die installierte Anlage soll sich im laufenden Betrieb neuen Aufgabenstellungen problemlos anpassen lassen und zudem durch ihre offene Architektur zukunftssicher sein. Der Anwender schließlich fordert einen zuverlässigen Betrieb, die schnelle Störungsbeseitigung und eine bedienerfreundliche Oberfläche.

Eine Anlage besteht beispielsweise aus folgenden Komponenten:

-Leitsystemen für das Bedienen und Beobachten des Prozesses;-Prozeßinformationssystemen;-verschiedenen Softwareprogrammen zur Projektierung, Inbetriebsetzung etc. sowie-diversen, an spezielle Aufgaben angepaßten Automatisierungsgeräten, die in der Regel auf unterschiedlichen Hard- und Softwareplattformen laufen.

Vor diesem Hintergrund muß der Anlagenersteller alle denkbaren Standardisierungs- und Rationalisierungspotentiale ausschöpfen. Wenn die obenerwähnte Systemvielfalt auf ein durchgängiges Leit- und Projektierungssystem reduziert wird, lassen sich alle Projektierungsdaten zentral halten. Fehlerträchtige Mehrfacheingaben von Daten oder aufwendige Konvertierungen zwischen unterschiedlichen Systemen entfallen. Eine durchgängige horizontale und vertikale Projektierung und ein einheitliches Datenmodell aus einer Datenbasis sichern die Unabhängigkeit des Automatisierungssystems, vereinfachen die Kommunikation und gestatten den Einsatz moderner Informationstechnologien wie Internet, Datenfernübertragung etc. In einem weiteren Schritt können Simulationsmodelle der Anlage in das Datenmodell integriert werden. Die entsprechende Strategie für diese Art von Systemintegration nennt sich universelle Prozeßleittechnik (UPL).

Ein Systemintegrator stellt sich der Herausforderung, herstellerneutral für die Prozeßautomation eine Systemumgebung zu schaffen, in die alle Kundenforderungen integriert sind. Zugleich muß sie so weit standardisiert sein, daß die Investition über den Anlagenlebenszyklus gesichert ist. Dieses Ziel läßt sich nur erreichen, wenn branchenunabhängig die folgenden Anforderungen umgesetzt werden:

-die Verringerung der Systemvielfalt der eingesetzten Komponenten;-die Verwendung marktüblicher Hard- und Softwarestandards;-die Integration von Testwerkzeugen zur Projektierung und Inbetriebsetzung sowie- der Einsatz von Informationstechnologie zur Vereinfachung und Verbesserung der anlagenspezifischen Projektierungsleistung und zur Anbindung an die Management-Informationsebene.

Neben der Auslegung der mechanischen Komponenten einer Anlage und der Generierung von Montagedaten für den Maschinenbau mit CAD-Werkzeugen und Step-genormten Schnittstellen (Standard für the Exchange of Product Model Data; siehe Kasten auf Seite 69) ist die Projektierung der Leittechnik ein wichtiger Bestandteil der Anlagenabwicklung. Quelle für die Realisierung der Leittechnik ist die verfahrenstechnische Aufgabenstellung, aus der die jeweilige Prozeßinstrumentierung und Anwendungssoftware abgeleitet werden.

Ausgehend von der Prozeßinstrumentierung legt die CAD-Projektierung die Schnittstellen zur Automatisierungsebene fest. Mit der Geometrie der Anlage liegen Ort sowie Einbaureihenfolge und damit die hierarchische Ordnung der Prozeßautomatisierung fest. Das CAD-Werkzeug adressiert die Geräte selbsttätig und erstellt Klemmenbelegungspläne sowie Verkabelungsunterlagen für die Montage. Gerätespezifische Stromlaufpläne für den späteren Betrieb werden automatisch und fehlerfrei generiert. Ein entscheidendes Merkmal dieser Vorgehensweise ist, daß das Abbild der Prozeßinstrumentierung praktisch per Knopfdruck in die zentrale Datenbasis eingespeist wird. Dazu werden sämtliche Informationen von Meßgebern, Stellventilen, Motoren etc. in einer hierarchischen Struktur angelegt. In dieser Struktur sind sämtliche Informationen einer Anlage topdown bis zum einzelnen Gerät festgelegt und werden automatisch dokumentiert. Gleichzeitig können Daten aufgabenspezifisch und nach technologischen Gesichtspunkten archiviert werden. Durch "Umhängen" von Teilhierarchien lassen sich die zu Geräten oder Komponenten gehörenden Funktionen leicht austauschen.

Funktionen wie Regelungen, Automatiken und Logiken werden vom Regelungstechniker oder Technologen direkt durch Aufruf der betreffenden Komponente aus dem Anlagenbau mit dem Projektierungswerkzeug für die Anwendersoftware realisiert. Der Projekteur verwendet dabei die für seine Branche spezifischen technologischen Funktionsbausteine und schaltet sie zum Funktionsplan zusammen.

Der in der speicherprogrammierbaren Steuerung ablauffähige Code wird automatisch auf Knopfdruck erzeugt und in die Zielhardware über das Standard-Bus-System geladen. Selbst das Laden in unterschiedliche Generationen von speicherprogrammierbaren Steuerungen ist durch entsprechende Weichenstellungen möglich. Der Technologe projektiert und parametriert unabhängig vom Zielsystem gemäß IEC1131 nur noch seine projektspezifischen Funktionen - er programmiert nicht mehr.

So lassen sich auch verschiedene technologische Prozesse gleichzeitig in einem Leitsystem projektieren, automatisieren und visualisieren.

Das wird am Beispiel der Automatisierung des Karaktunnels in Malaysia deutlich. Bei einem solchen Vorhaben war es bisher üblich, daß jedes Gewerk ein eigenes Leitsystem besaß. Hier wurde ein ganzheitliches Tunnelleitsystem nach den obengenannten Richtlinien realisiert, in das auch verschiedene Fremdsysteme integriert wurden. Von zwölf örtlich verteilten Stationen werden jetzt unterschiedliche Teilsysteme angesteuert und automatisiert: Beleuchtungssystem, Tunnelbelüftung, Verkehr, Telefon-, Kameraüberwachungs-, Feueralarm- und Brandbekämpfungssystem, Energieversorgung und Schaltanlagen. Alle Funktionen werden jetzt an einem einzigen Bedienplatz angezeigt.

Jeder Technologe möchte die Ergebnisse seiner einzelnen Projektierungsschritte unmittelbar auf ihre Auswirkungen auf das Verhalten der Anlage testen. Mängel und Fehler werden so frühzeitig erkannt und können gegebenenfalls sofort beseitigt werden. Bestimmte Teststrategien unter Zuhilfenahme computergestützter Simulationen ermöglichen dies. Vor der Auslieferung der Leittechnik auf die Baustelle werden dazu alle Leit- und Automatisierungssysteme aufgebaut, verkabelt und mit der entsprechenden Software geladen. Als Ersatz des prozeßtechnischen Maschinenbaus der Anlage ist ein Simulator direkt an die Peripherie-Busse der Leittechnik angeschlossen. Als Reaktion auf deren Steuer- und Regelbefehle berechnet der Prozeßsimulator die von ihr verwerteten Prozeßgrößen - Leittechnik und Prozeßsimulator agieren in einem geschlossenen Wirkungskreis. Mit dieser Konstellation läßt sich prüfen, ob die Prozeßautomatisierung die verfahrenstechnische Aufgabenstellung korrekt erfüllt. Getestet werden können:

-die Leittechnik unter betriebsnahen Bedingungen;-Regelungen und Schutzfunktionen im geschlossenen Wirkungskreis sowie-die Reaktionen der Anlage auf gezielt gebildete, reproduzierbare Störungen, und zwar ohne den Maschinenbau zu belasten.

Arbeiten der Inbetriebsetzung werden so bereits am Standort vorweggenommen: Der übliche Integrationstest wird zu einem Anlagentest mit dem Charakter einer Vorinbetriebsetzung. Die Aufwendungen für die Inbetriebsetzung insgesamt verringern sich, und der prozeßtechnische Maschinenbau wird während der Inbetriebsetzung durch weniger Anlagenversuche geschont.

Die Schnittstelle des Prozeßsimulators zur Prozeßautomatisierung besteht im wesentlichen aus Simulationsmodellen der Geber und Antriebe. Die erforderlichen Daten werden automatisch aus den Informationen der Prozeßautomatisierung generiert. Mit dem Einsatz durchgängiger Projektierungswerkzeuge auch für die Prozeßtechnik ist jetzt die Voraussetzung geschaffen, auch das Simulationsmodell der Prozeßtechnik vollständig aus den projektierten Anlagendaten zu generieren.

Simulatoren sind umfassend als projektbegleitendes Testwerkzeug einsetzbar. Prüfungen der korrekten technologischen Funktion einer Anlage lassen sich in allen Projektphasen an einem Simulationsmodell der Anlage, an einer quasi virtuellen Anlage, durchführen. Das damit mögliche Rationalisierungspotential kann voll ausgeschöpft werden, wenn das Anlagenmodell mit geringstem Aufwand aus den Anlagendaten abgeleitet werden kann. Durchgängige Projektierungswerkzeuge und ein in diese Werkzeuglandschaft integrierter Simulator sind dafür neben einem entsprechend gestalteten Projektierungsablauf eine wesentliche Voraussetzung. Im Idealfall ist dann das Simulationsmodell der Prozeß- wie auch der Leittechnik, also das Simulationsmodell der Anlage, aus dem aktuellen Projektierungsstand der Anlage automatisch, also quasi auf Knopfdruck generierbar.

Eine stets aktuelle Abbildung der Anlage

Mit dieser Intention integriert Siemens derzeit einen Simulator in die Werkzeuglandschaft zur Projektierung fossiler Kraftwerke (beispielsweise in Malaysia und den USA). Dem Technologen steht mit diesem Projektierungssimulator ein stets aktuelles Abbild der Anlage nicht nur in ihren statischen Daten, sondern auch in ihren dynamischen Funktionen zur Verfügung. Schwerpunktmäßig wird der Simulator zu Testzwecken während der Projektierung der Leittechnik eingesetzt.

Die mit diesem gesamten Maßnahmenpaket aus universeller Prozeßleittechnik und Simulation erzielten Einsparungen können nach allen bisherigen Erfahrungen bis zu 50 Prozent betragen. Des weiteren konnte schon dazu beigetragen werden, die Errichtungsdauer eines modernen Gas- und Dampfkraftwerks um 25 Prozent zu verkürzen.

Wenn Informationstechnologie konsequent bei Konzeption und Entwicklung eines universellen Leit- und Projektierungssystems genutzt wird, läßt sich auch der Entwicklungsaufwand drastisch verringern. Gegenüber einem vergleichbaren Projekt wurde die Anzahl der Sourcecode-Zeilen um mehrere Millionen reduziert - und dies unter Windows, mit mehr Funktionalitäten, einer verbesserten Servicefreundlichkeit und leichterer Integrierbarkeit von Innovationen.

Angeklickt

Jede Anlage ist anders, hat also eigenständige Lösungen. Kundenwünsche, Standards, unterschiedliche Landesspezifika etc. müssen integriert werden. Erforderlich dazu: Automatismen zum Erstellen, Testen und Ändern der Anlagensoftware sowie die automatische Verknüpfung mit der Prozeßinstrumentierung. Um alle Standardisierungs- und Rationalisierungspotentiale ausschöpfen zu können, bietet sich die Methode der Simulation an. Simulationsmodelle der Anlage lassen sich in das Datenmodell integrieren.

*Karl Dibbern und Horst Fischer arbeiten bei der Siemens AG in Erlangen im Bereich Anlagentechnik