PLT-Basic
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Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik<br />
Aufgaben und Strukturen<br />
der Prozessleittechnik - 2<br />
VL Prozessleittechnik 1<br />
SS 2013<br />
Professur für Prozessleittechnik
Übersicht<br />
• Einordnung des Themengebiets<br />
Prozessführung, Prozessleittechnik, Prozessleitsystem<br />
• Historische Entwicklung<br />
Automatisierungsstufen, Sichtbare Veränderungen<br />
• Aufgaben der <strong>PLT</strong><br />
Basisaufgaben Automation, Basisaufgaben Information<br />
• Strukturen und Architekturen<br />
Anforderungen, Funktions- und Ebenenmodelle, Komponenten<br />
Urbas © 2012-2013 <strong>PLT</strong>-1 Folie 2
Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik<br />
Wiederholung: Aufgaben der<br />
Prozessleittechnik
Aufgaben der Prozessleittechnik<br />
Basisaufgaben Automation<br />
• Messen und Wandeln von<br />
Prozessgrößen<br />
• Steuern und Sichern durch<br />
Abarbeitung von Logikprogrammen<br />
• Regeln zur Stabilisierung von<br />
Prozessgrößen<br />
• Überwachen und Erkennen von<br />
(gefährlichen) Prozesszuständen<br />
• Anzeigen: Darstellen von Prozess-<br />
und Führungsgrößen<br />
• Bedienen: Führende Eingriffe<br />
durch Bedienpersonal<br />
Basisaufgaben Information<br />
• Archivieren: Bereitstellen von<br />
Information über lange Zeiträume<br />
• Konfigurieren: Automatisches<br />
Erkennen und Einbinden von<br />
Sensoren und Aktoren<br />
• Vermitteln: zwischen<br />
Unternehmensleitebene und<br />
Produktion<br />
• Absichern: gegen unerlaubte<br />
aktive oder passive Zugriffe von<br />
innen oder außen<br />
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Prozessleitsystem<br />
• Ein Prozessleitsystem (PLS; engl. digital control system DCS) ist<br />
ein integriertes System zur technischen Realisierung der<br />
Aufgaben der Prozessleittechnik<br />
Marktvolumen: 12% des Automatisierungsmarktes für die Prozessindustrie<br />
Informationsdrehscheibe mit Schnittstellen zum Prozess und zu<br />
betrieblichen Informationsbedarfsträgern<br />
Monolithische Systeme / verteilte Systeme<br />
• Anforderungen an PLS aus den verschiedenen Aufgaben<br />
Echtzeitfähigkeit<br />
Hohe Verfügbarkeit<br />
Offenheit & Interoperabilität<br />
Durchgängigkeit<br />
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Echtzeitfähigkeit<br />
• Vielfältige Definitionen, beispielsweise<br />
logische und zeitliche Determiniertheit<br />
Garantierte Einhalten von Zeitschranken<br />
Dauerhafte Bereitschaft zur Erbringung eines Dienstes<br />
• Definition für <strong>PLT</strong>-1:<br />
Mit einem echtzeitfähigen System kann bei der Einhaltung bestimmter<br />
Vorgaben und Regeln beim Engineering eine Garantie abgegeben werden,<br />
dass die Wirkketten des Systems vorgegebene Deadlines unabhängig<br />
von dem aktuellen Prozesszustand einhalten werden<br />
Dies gilt auch für das Verhalten von Wirkketten bei erkennbaren<br />
technischen Ausfällen <strong>PLT</strong>-2 (Zuverlässigkeit, funktionale Sicherheit)<br />
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Verfügbarkeit ( <strong>PLT</strong>-2)<br />
• Kurzzeitige Ausfälle können zu hohen Ausfallkosten führen<br />
Fehlcharge, Wiederanfahren, …<br />
• Hohe Verfügbarkeit durch<br />
Redundanz von Hard- und Softwarekomponenten<br />
Unterbrechungsfreie Übernahme von Funktionen bei Störungen<br />
• Wie muss eine hochverfügbare Leittechnikarchitektur aussehen?<br />
• Wie kann man Verfügbarkeit berechnen?<br />
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Offenheit und Interoperabilität<br />
• Anlagen werden nicht als Inseln betrieben. Sie sind in den<br />
Informationshaushalt des Unternehmens zu integrieren<br />
Wirtschaftliche Daten, Betriebsführung, Logistik, Qualitätssicherung,<br />
Engineering<br />
• Offenheit: Die jeweiligen Hersteller legen Schnittstellen und<br />
Systemeigenschaften offen, damit andere Anwendungen<br />
angekoppelt werden können.<br />
• Interoperabilität: Unterschiedliche Komponenten unterschiedlicher<br />
Hersteller können ohne Zusatzaufwand miteinander betrieben<br />
werden.<br />
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Durchgängigkeit ( CAE-PA)<br />
• PLS bestehen aus unterschiedlichen Komponenten mit vielfachen<br />
internen Schnittstellen.<br />
• Forderung nach einfacher Pflege<br />
• Durchgängigkeit: Eine Prozessinformation, die irgendwo im System<br />
bekannt ist, muss ohne Zusatzaufwand jeder Komponente<br />
zugänglich sein<br />
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Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik<br />
Strukturen und Architekturen<br />
der Prozessleittechnik
Ebenenmodell<br />
• Betrieb<br />
• Produktion<br />
• Prozessleitebene<br />
• Feldebene<br />
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Funktionsmodell<br />
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Automatisierungspyramide<br />
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Wandel der gerätetechnischen<br />
Grundstrukturen<br />
• räumlich zentral, funktionell dezentrale Einzelregler, Bedienung über<br />
Einzelgeräte<br />
• räumlich dezentral, funktionell partiell zentrale mehrkanalige Regler,<br />
Bedienung über BSG<br />
• räumlich dezentrale und funktionell dezentrale Einzelregler,<br />
Bedienung über Bildschirmgeräte<br />
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Aktuelle Systemkonzepte<br />
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Struktur dezentraler PLS<br />
• ABK: Anzeige-/Bedienkomponente<br />
• PNK: Prozessnahe Komponente<br />
• EK: Engineering Komponente (auch EWS Engineering Workstation)<br />
• Kommunikation: Systembus, offener Betriebs-/Werkbus<br />
Chemische<br />
Prozesse,<br />
Anlagen,<br />
Apparate<br />
M<br />
Systembus<br />
Feldebene Prozessnahe<br />
Anzeige- und Bedienkomponenten<br />
(Sensoren, Aktoren) Komponenten<br />
(Ein/Ausgänge,Prozessrechn<br />
er)<br />
(Bedienen und Beobachten)<br />
Systeme der<br />
Betriebs-,<br />
Produktions- und<br />
Unternehmens-<br />
leitebene<br />
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Werk<br />
sbus
Prozessnahe Komponente (PNK)<br />
• Rechner, auf dem die prozessnahen Funktionen ablaufen (engl.<br />
process station PS oder process controller PC)<br />
• Anschluss der Feldsignale über E/A-Gruppen oder Feldbus<br />
• Komponenten:<br />
Stromversorgung *<br />
Prozessormodul (*)<br />
Schnittstelle zum Systembus *<br />
Schnittstellen zum Anschluss von Remote-I/O, Feldbusgeräte und andere<br />
„intelligente“ Einheiten<br />
Spezialmodule, z.B. für Motorsteuerung, eigensichere Signale, …<br />
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Funktionen und Merkmale von PNK<br />
• Funktionen<br />
Regeln und Steuern mit Zykluszeiten 1 bis 100ms<br />
Ausführen von Rezepten<br />
Spez. Regelalgorithmen (Fuzzy, MPC, DMC, …)<br />
Erkennen von Grenzwertverletzungen und Erzeugen von Meldungen mit<br />
Zeitstempel<br />
• Merkmale<br />
Autonomer Betrieb<br />
Sicherheitsstellung bei Systemausfall<br />
Puffern von Prozesssignalen bei Kommunikationsausfall<br />
Mechanismen zum Upload/Austausch im laufenden Betrieb<br />
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Offener Betriebs-/Werksbus<br />
• De-facto Standard Ethernet + TCP/IP<br />
• Anbindung von<br />
Betriebsleitsystem: Bilanzierung, Logistik, kaufmännisches und technisches<br />
Berichtswesen<br />
Laborautomatisierung (LAS), Labor-Informations-Managementsysteme<br />
(LIMS)<br />
Enterprise Ressource Planing-Systeme (ERP)<br />
Betriebliche PCs (Auswertung, Tabellenkalkulation)<br />
Produktionsplanung und –steuerung<br />
Qualitätssicherung (ISO 9000, FDA)<br />
Expertensysteme<br />
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Systembus<br />
• Verbindet PNK untereinander und mit weiteren Komponenten des<br />
PLS (ABK, EK)<br />
Verwendung von Standards auf Schichten 1 und 2, darüber<br />
herstellerspezifisch<br />
redundante Ausführung<br />
PNK ↔ PNK : eigentlich Kommunikation mit Echtzeiteigenschaft<br />
erforderlich, häufig auch Ethernet mit 100 Mbit/s<br />
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Kommunikation<br />
• ISO/OSI Schichtenmodell (Details in der nächsten Vorlesung)<br />
Schicht 1: Kupfer-Koax, Lichtleiter<br />
Schicht 2: Token Bus (IEEE 802.4), Ethernet (IEEE 802.3)<br />
Schicht 3-4: häufig PLS intern weggelassen, nach außen meist TCP/IP<br />
Schicht 5-6: nicht ausgeprägt<br />
Schicht 7: PLS intern herstellerspezifisch, nach außen OPC, http<br />
• Übertragungsraten<br />
Bis 100 Mbit/s<br />
Unterschiedliche Overheads<br />
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Anzeige- und Bedienkomponente (ABK)<br />
• Nahtstelle zwischen PLS und<br />
Anlagenfahrer<br />
Operator Station (OS),<br />
Human Machine Interface (HMI)<br />
• Funktionen<br />
Standardbedienbilder<br />
Freie Grafik<br />
Rezepterstellung, Verwaltung und<br />
Beobachtung<br />
Alarmbehandlung<br />
Datenauswertung<br />
Systemdiagnose<br />
• Strukturen<br />
Client-Server<br />
Gleichberechtigte ABKs<br />
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Engineering-Komponente (EK)<br />
• Konfigurieren der Systemfunktionalität (engl. engineering station<br />
ES)<br />
• Definition der Funktion von PNK und ABK durch Verknüpfen und<br />
Parametrieren von Softwarebausteinen<br />
• Heute meist grafische Konfiguration mit domänenspezifischen<br />
Sprachen<br />
Funktionsbausteine (FBS),<br />
engl.: Continous Function Chart (CFC)<br />
Ablaufsteuerung (AS),<br />
engl.: Sequential Function Chart (SFC)<br />
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Funktionsintegration<br />
• Integration höherer IV-Funktionen der Prozessführung<br />
Advanced Control (APC), Messwertvalidierung (DR), Qualitätsmanagement<br />
(QM), Labor (LMS), Logistik (SD), Asset Management (AM), ...<br />
Verlagerung in die Prozessleittechnik<br />
Vernetzung mit der Prozessleitebene<br />
ERP<br />
Betrieb<br />
Produktion<br />
Prozess<br />
Feld<br />
<strong>PLT</strong><br />
ERP (SAP)<br />
QM LMS SD<br />
APC DR AM<br />
Urbas © 2012-2013 <strong>PLT</strong>-1 Folie 27
Hochverteilte Systeme<br />
• Neue Bussysteme und Fortschritte<br />
in der Rechnertechnik<br />
Industrial Ethernet<br />
„Intelligente“ Geräte<br />
• Engineering Methoden für<br />
verteilte Systeme<br />
Entwurf und Verifikation verteilter<br />
Hard- und Softwaresysteme<br />
IEC 61804 Function blocks (FB) for process control<br />
IEC 61499 Distributed Function Blocks<br />
Dienstetechnologien aus dem Internetumfeld (SOA, peer-to-peer,<br />
Agentenframeworks, ...)<br />
Urbas © 2012-2013 <strong>PLT</strong>-1 Folie 28
Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik<br />
PLS vs. SPS
PLS vs. SPS<br />
• Bis 90‘er Arbeitsteilung<br />
SPS –Steuerung niedriger Komplexität, überwiegend binäre Signale,<br />
sicherheitsgerichtete Logik, Systemhalt bei Rekonfiguration möglich<br />
PLS – Regelung hoher Komplexität, enge Verknüpfung der Teilprozesse,<br />
analoge Signale, online-rekonfiguration notwendig<br />
• Heute: SPS-basierte Prozessleitsysteme<br />
Siemens PCS7<br />
ABB 800xF<br />
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Konzepte bewegen sich aufeinander zu<br />
(Felleisen 2001)<br />
Komplexität<br />
hoch<br />
niedrig<br />
Verbesserte<br />
Logikkomp.<br />
Hierarchische<br />
SPS-Systeme<br />
SPS<br />
Steuern und Regeln<br />
Urbas © 2012-2013 <strong>PLT</strong>-1 Folie 31<br />
PLS<br />
Kleine stand-<br />
alone Systeme<br />
Verbesserte<br />
Regelungskomp.<br />
Anzahl<br />
Regelkreise<br />
>300<br />
50-300<br />
Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik<br />
Komponentenarchitekturen
Generische Strukturen<br />
(Karnouskos et al. 2010)<br />
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Honeywell TDC3000<br />
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Foxboro I/A Series<br />
Urbas © 2012-2013 <strong>PLT</strong>-1 Folie 35
Siemens PCS7<br />
Urbas © 2012-2013 <strong>PLT</strong>-1 Folie 36
Literatur<br />
• DIN EN 61131 Speicherprogrammierbare Steuerungen, Programmiersprachen<br />
• DIN 19227 Graphische Symbole und Kennbuchstaben für die Prozessleittechnik<br />
• DIN 19222V Leittechnik – Begriffe<br />
• Favre-Bulle, B.: Automatisierung komplexer Industrieprozesse. Wien : Springer-Verlag, 2004<br />
• Früh, K.F., Maier, U. (Hrsg.): Handbuch der Prozessautomatisierung. München : Oldenbourg<br />
Industrieverlag, 2004<br />
• Felleisen, M.: Prozessleittechnik für die Verfahrensindustrie. Oldenbourg Industrie Verlag 2001.<br />
• Karnouskos, St., Colomboy, A.W., Jammesz, F., Delsing, J., and Bangemann, Th.: Towards an<br />
Architecture for Service-Oriented Process Monitoring and Control. In: Proceedings IECON 2010, S.<br />
1385–1391, 2010. doi:10.1109/IECON.2010.5675482<br />
• Kopec, H. and Maier, U.: Critical annotations on present distributed control systems. atp -<br />
Automatisierungstechnische Praxis, 47(3), 24–28, 2005.<br />
• Polke, M.: Prozessleittechnik. Oldenbourg Industrie Verlag, 1992<br />
• Urbas, L.: Process Control Systems Engineering. Oldenbourg Industrieverlag, 2012<br />
• VDI/VDE 3699 Prozessführung mit Bildschirmen<br />
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