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25.11.1983 - 

Mikroprozessoren dezentralisieren Automatisierungssysteme:

Prozeßinformationen über den Bildschirm

DÜSSELDORF (pi) - Die Mikroprozessortechnik hat auf dem Gebiet der Prozeßautomatisierung in den letzten Jahren einen Innovationsschub ausgelöst. Einen Überblick hierüber gab die Interkama in Düsseldorf. Innerhalb der elektronischen Prozeßinstrumentierung sind die Teilgebiete Erfassen und Stellen, Verarbeiten, Beobachten und Bedienen sowie Planen und Errichten unterschiedlich von diesem Wandel betroffen.

Beim Erfassen von Meßgrößen wie Druck, Durchfluß und Temparatur mit Meßumformern wird die Primärgröße fast durchweg zunächst in ein analoges elektrisches Signal, wie zum Beispiel eine Widerstandsänderung, umgewandelt und verstärkt, so daß dieses Gebiet mehr von der Sensor-Technik und der Analogelektronik abhängig ist. Der Nutzen eines digitalen Meßumformerausgangs gegenüber dem bewährten Stromsignal ist gering und zumindest bis zum Unterverteiler kaum wirtschaftlich interessant.

In dieser oder ähnlicher Position - bevorzugt natürlich in explosionsgeschutzten Räumen oder Schutzschränken, wie bei der Gasanalyse - sind bereits die dezentralen Verarbeitungseinheiten der modernen Automatisierungssysteme installierbar, so daß die Notwendigkeit entfallt, alle Prozeßgrößen auch für schnelle Closed-loop-Verarbeiturtg über einen seriellen Bus zu schicken. Darüber hinaus ist die Normung einer digitalen Meßumformerschnittstelle besonders schwierig, da außer Signal und Prozedur auch die Informationscodierung und Informationssicherung festgelegt werden müßte. Der Einsatz von Mikroprozessoren in Meßumformern zum Zweck der Verknüpfung von Meßgrößen vor Ort dürfte auf Sonderanwendungen wie zum Beispiel die Wärmemengenmessung in Wärmenetzen beschränkt bleiben. Ganz ähnliche Überlegungen gelten für die Stellseite.

Die Verarbeitungsfunktionen wie Regeln, Steuern und Überwachen erfolgen heute dagegen meist von Anfang an digital. Sie sind einem besonders tiefgreifenden Wandel durch die Mikroprozessortechnik unterworfen. Waren früher ganz unterschiedliche Geräte für jede dieser drei Funktionen erforderlich, so lassen sich heute alle drei Funktionen mit der gleichen "Hardware" und der gleichen "Grund-Software" erfüllen, wobei für die unterschiedlichen Funktionen nur unterschiedliche Software-Funktionsmodule benötigt werden.

Digitales Regeln, Steuern, Überwachen

Diese sind bei modernern dezentralen Automatisierungssystemen als Vorrat an konfektionierten Funktionsmoduln in der gelieferten Hardware integriert. Die bekannten Schnittstellenprobleme zwischen den Funktionen entfallen. Außerdem ermöglicht die Mikroprozessortechnik eine für die erforderliche Zuverlässigkeit hinreichend kleine Stückelung der Verarbeitungsfunktionen, oder anders ausgedrückt eine sinnvolle Beschränkung in der Mehrfachausnutzung der zentralen Komponenten.

Diese funktionale Dezentralisierung läßt sich bei Bedarf auch in der räumlichen Anordnung der Verarbeitungseinheiten nutzen. Ein weiteres positives Merkmal ist die relativ einfach realisierbare Selbstüberwachung und Fehlerdiagnose. Einige Mikroprozessorsysteme bieten zur Steigerung der Verfügbarkeit die Möglichkeit des Aufbaus von Redundanz für eine oder mehrere Verarbeitungseinheiten .

Auch ein in das Prozeß-Interface eingegliederter und der eigentlichen Verarbeitung unterlagerter Einzelsteuerbaustein oder Einkanalregelbaustein bringt für die betreffende Steuerkette oder den betreffenden Regelkreis eine Eröhung der Verfügbarkeit. Für schnelle Schutzeingriffe bieten sich kanalweise orientierte und hardwaremäßig ausgeführte unterlagerte Grenzwertmelder oder Steuerbausteine an.

Der meist über mehrere Kilometer verlegbare Systembus läßt sich bei fast allen Systemen redundant ausführen. Bei vorteilhaft konzipierten Automatisierungssystemen und guter Anlagenplanung erhöht dies zwar kaum noch die Verfügbarkeit der grundlegenden Verarbeitung bringt jedoch eine Erhöhung der Kommunikationsverfügbarkeit mit dem Menschen oder mit einer übergeordneten Verarbeitungseinheit oder einem übergeordneten Prozeßrechner. Für umfassende Optimierungsrechnungen, größere Rezepturverwaltungen und umfangreiche Auswertungen wird dem Automatisierungssystem häufig ein Prozeßrechner überlagert, der über eine digitale Schnittstelle mit dem System kommuniziert und zusätzlich noch vom System unabhängige Aufgaben erfüllen kann.

Natürlich gibt es bei der Prozeßautomatisierung nicht nur Großanlagen mit mehreren 1000 MSR-Stellen (MSR: Messen, Steuern, Regeln), sondern auch viele Kleinanlagen und Einzelaggregate, die zu automatisieren sind. Die meisten dezentralen Automatierungssysteme bieten als kleinste Ausbaustufe Verarbeitungseinheiten mit den Funktionen Beobachten und Bedienen im Wert von etwa 100000 Mark an. Da es auch viele kleine Aggregate und Einrichtungen gibt, deren Automatisierungsbedarf weit unter diesem Wert liegt, sind auch weiterhin die bekannten Kompaktgeräte unterschiedlicher Leistungsfähigkeit für die Prozeßautomatisierung unentbehrlich.

Ihr Funktionsumfang wird sich jedoch unter dem Einfluß der Mikroprozessortechnik ändern. So ist es beispielsweise bei einem mit Mikroprozessor aufgebauten Kompaktregler durchaus möglich, komplexe Verknüpfungen oder eine Kaskadenregelung ohne großen Mehraufwand einzubeziehen, oder ein gewisses Maß an Überwachungsfunktionen und logischer Verknüpfung mit abzuarbeiten. Auch der Einsatz optoelektronischer Anzeigen führt bei einem solchen Gerät zu keinen Mehrkosten.

Auf dem Gebiet des Beobachtens und Bedienens sorgt die

Mikroprozessortechnik ebenfalls für erheblichen Wandel. Lange Zeit war man auf gemalte oder aus Mosaikbausteinen aufgebaute Fließbilder des Prozesses sowie auf Kompaktregler, Anzeiger oder Schreiber für die Darstellung von Analoggrößen und auf Lampenketten oder Alarmbausteine für die Darstellung von Binärgrüßen angewiesen. Das führte besonders bei großen Anlagen zu sehr ausgedehntem Warten.

Verdichtete Information

Heute ermöglicht eine immer kostengünstiger werdende Informationsaufbereitung durch Mikrorechner die Darstellung verdichteter Informationen aus dem Prozeß auf Farbbildschirmen. Dabei stehen meist wahlweise eine konfektionierte Informationshierarchie oder eine anlagenspezifische Informationshierarchie mit Fließbildern unterschiedlicher Auflösung sowie außerdem Kurvenbilder und Störübersichten zur Verfügung.

Mit der Konzentration der Information geht auch eine Konzentration der Bedieneingriffe einher. Statt der parallelen Bedienung jeder ein zelnen MSR-Stelle wird dabei die serielle Bedienung der nacheinander auf dem Bildschirm angewählten Kreise praktiziert. Der Aufbau vor Redundanzen durch Verwendung mehrerer Beobachtungs- und Bedieneinheiten ist dabei in beliebiger Weise möglich. Einige Systeme bieten als Option für besonders wichtige Kreise auch die Möglichkeit der zusätzlichen kanalweisen Bedienung an.

Auch hier sind für die Automatisierung kleinerer Aggregate und Einrichtungen die bisher üblichen Anzeiger, anzeigenden Grenzwertmelder und Schreiber auf lange Sicht unentbehrlich. Selbst bei Einsatz eines Mikroprozessor-Automatisierungssystems kann die teilweise Registrierung mit konventionellen Schreibern technisch und wirtschaftlich vorteilhafter sein. Während sich bei den Schreibern zunehmend Servomeßwerke durchsetzen, ist bei den reinen Anzeigern das preiswerte Drehspulmeßwerk nicht wegzudenken.

Optoelektronische Analoganzeigen werden meist erst in Kombination mit anderen Funktionen wirtschaftlich. Im Innern der Schreiber beginnt die Mikroprozessortechnik, die Analogelektronik und die Mechanik zu verdrängen, so zum Beispiel im Zusammenhang mit Schrittmotoren beim einstellbaren Papiervorschub, zum Teil auch beim Meßsystem und besonders bei Zusatzfunktionen wie Linearisierung der Meßgröße oder alpha-numerische Kurvenkennung.

Betrachtet man das Planen und Errichten von Automatisierungseinrichtungen und läßt man die zunehmende Verwendung von Planungsrechnern für die Projektierung großer Anlagen außer Betracht, so bleibt die Basisplanung, welche die Meßstellenlisten, Regelschemata, Funktionspläne und Überwachungslisten liefert, von dem Wandel unberührt. Auch an der Detailplanung und Errichtung der Feldinstrumentierung bleibt alles beim alten. Hingegen macht sich im Wartenbereich beim Einsatz moderner Automatisierungssysteme der Wandel von der Hardware-programmierten und verdrahtungsprogrammierten Technik zur speicherprogrammierten und busorientierten Technik deutlich bemerkbar. Mit dem Bus nicht nur der serielle Systembaus sondern auch der parallele Mikroprozesor-Bus innerhalb der Verwaltungseinheit gemeint. Bei der neuen entfällt die Planung und Ausführung der projektspezifischen Verkabelung im Wartenbereich.

Dezentrales Automatisierungssystem

Die Festlegung der benötigten Automatisierungs- und Darstellungsfunktionen erfolgt beim sogenannten Strukturieren oder Konfigurieren durch Auswahl der benötigten Funktion aus dem im System vorhandenen Funktionsvorrat. Dazu ist die Eingabe eines Alpha-Codes oder Nummern-Codes erforderlich, bei einzelnen Systemen sogar nur die Auswahl aus den auf dem Bildschirm angegebenen Wahlmöglichkeiten. Die Verknüpfung der Automatisierungsfunktion mit den benötigten MSR-Stellen erfolgt durch Eintippen der MSR-Kurzbezeichnung, die dem System vorher je Meßstelle bekanntgemacht wurde. Die festgelegten Funktionen und Verknüpfungen werden auf Magnetband und häufig auch zusätzlich in einer automatisch erzeugten Papierdokumentation festgehalten. Das gilt auch für erforderlich werdende Änderungen der Funktionen oder Verknüpfungen. Das Magnetband mit den Konfigurierdaten kann auch an einem getrennten Arbeitsplatz erstellt und später in das installierte System eingespielt werden.

Verständlicherweise erfordert die neue Mikroprozessortechnik außer von den Instrumentenherstellern auch vom Planungs-, Einfahr-, Bedienungs- und Service-Personal ein gewisses Umdenken, das eine entsprechende Schulung voraussetzt. Dabei ist es immer wieder erstaunlich, mit welcher Geschwindigkeit die neue Technik auch von angelerntem Personal aufgenommen wird, das keine Ingenieur- oder Techniker-Ausbildung hat.

Eine einheitliche Sprachregelung hat sich für die neue Technik noch nicht durchgesetzt. Da man in den USA ursprünglich von "Distributed Control Systems" sprach, findet man bei uns, wie im gesamten Europa auch heute noch oft die Bezeichnung "Verteilte Automatisierungs-Systeme". Mehr und mehr spricht man aber auch von "Dezentraler Prozeßautomatisierung" oder von "Prozeßleitsystemen", um durch das Wort "leiten" auf die Kombination von Regeln und Steuern hinzuweisen.