006 - Formale Modelle des PT/PLT-Engineerings (1/2)

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006 - Formale Modelle des PT/PLT-Engineerings (1/2)

Fakultät ET/IT Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

CAE in der Prozessautomatisierung

Formale Modelle des

PT/PLT-Engineerings (1/2)

SS 2013, 28.05.2013

Professur für Prozessleittechnik


Fakultät ET/IT Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

Übersicht

(1) Motivation

(2) Datenintegration

(3) ISO 15926

(4) XMpLant

28.05.2013 CAE@PA Folie 2


Planung

Betrieb

Fakultät ET/IT Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

Die Digitalen Anlage im Lebenszyklus

(Urbas 2012, in Anlehnung an VDI-4499-1)

Anlage

28.05.2013 CAE@PA Folie 3


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Digitale Anlage

• Die Digitale Anlage ist der Oberbegriff für ein

umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen,

Methoden und Werkzeugen die durch ein

durchgängiges Datenmanagement integriert werden.

• Ihr Ziel ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und

laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen,

Prozesse und Ressourcen der realen Anlage in

Verbindung mit dem Produkt.

Ziel

28.05.2013 CAE@PA Folie 4


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Herausforderungen

Ausgangspunkte

• Engineering von Anlagen ist ein stark arbeitsteiliger und

interdisziplinärer Prozess in Phasen

umfangreiche Abhängigkeiten in den Organisations- und

Datenstrukturen

• für die Anlagenplanung zugestandenen Zeiten werden immer

kürzer und die Qualitäts-, Sicherheits- und Umweltanforderungen

steigen stetig

Effizienzsteigerung, d.h. Kosten- und Aufwandsminimierung

bei gleichzeitiger Verbesserung der Arbeitsleistungen und

Ergebnisse

28.05.2013 CAE@PA Folie 5


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Lösungen

• Beschäftigung von mehr qualifizierten Mitarbeitern

• Kosten und Qualifizierungsaufwand entstehen

Ausgangspunkte

• Auslagerung von Engineeringleistungen (z.B. in Package Units)

• Änderungsverfolgung, -kontrolle und Datenintegration

notwendig

• Übergang von einer streng chronologischen zu einer in einem

gewissen Maße simultanen (concurrent) Vorgehensweise

• Änderungsverfolgung und –kontrolle notwendig (Management

of Change; Revisionsüberwachung)

• semantischen Abhängigkeiten müssen zeitlich entkoppelt

werden, um Inkonsistenzen der Daten zu verhindern

• Iterationsschritte werden notwendig

28.05.2013 CAE@PA Folie 6


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Lösungen

Ausgangspunkte

28.05.2013 CAE@PA Folie 7


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Lösungen

• Verwendung von besseren (moderneren) Werkzeugen

• Kosten und Qualifizierungsaufwand entstehen

• Etablierungssicherheit muss hinterfragt werden

Ausgangspunkte

• (Wiederverwendung von vorhandenen Planungsergebnissen aus

Vorprojekten)

• Nutzung von Standardrealisierungen über mehrere

Engineeringphasen (Typicalkonzepte)

• Engineeringaufwand vor eigentlicher Projektbearbeitung

entsteht

• Verbesserung der Weiterreichung (Integration) von Daten und

Informationen im gesamten Lebenszyklus

• Anpassung von CAE-Systemen und Entwicklung

Integrationskonzepten notwendig

28.05.2013 CAE@PA Folie 8


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• Engineeringdaten und deren Informationsfluss sind an viele

Anforderungen und Randbedingungen gebunden

• Datenrepräsentation

Problemstellungen für Datenintegration

• zeitlichen Integration über alle Lebensphasen

Aktualität und Wiederverwendbarkeit

• Informationssuche und -bereitstellung

• eine Vielzahl spezialisierter und gewerkespezifischer

CAE-Systeme müssen zum Einsatz kommen

28.05.2013 CAE@PA Folie 9


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Datenrepräsentation

• unterschiedliche Orte

in den Köpfen

der Ingenieure

auf Dokumenten in

elektronischer und

Papierform

• unterschiedliche Formate

Datenrepräsentation

in Datenbanken basierend auf

verschiedensten

Datenmodellen

28.05.2013 CAE@PA Folie 10

DB


Vorgaben

(Prozess, Zeit,

Finanzen,…)

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Pläne, Anleitungen,

Checklisten, …

gewerkeübergreifende

Engineeringdaten

Anlagen- &

Prozessdaten,

Instandhaltungsvorgaben,


zeitliche Integration

Handbücher,

Protokolle, …

eingesetzte Stoffe und Materialen,

Montagepläne,…

Gerätezustände,

„Anlagengeschichte“,…

28.05.2013 CAE@PA Folie 11


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• Aktualität und somit Qualität von Informationen und Daten

sind bei fehlender Integration und schlechter

Informationsbereitstellung sehr mangelhaft

• unternehmerische und planerische Entscheidungen

werden dann auf überholten, fragmentarischen und

inkonsistenten Daten getroffen und führen dann zu

Fehlinvestitionen und erheblichen Mehraufwand in

Folgephasen

zeitliche Integration

• Zeitliche Integration und ein gutes Changemanagement

können Investitions- und Planungssicherheit verbessern

• CAE-Systeme sollten dazu beitragen können

28.05.2013 CAE@PA Folie 12


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Informationssuche und -bereitstellung

• „Durchschnittlich 67 Minuten am Tag suchen Mitarbeiter

europäischer Unternehmen nach Informationen. Bei einem

mittelgroßen Betrieb mit 1000 Mitarbeitern und einem

durchschnittlichen Gehalt von 50 000 Euro summieren sich die

Kosten der ineffizienten Informationssuche auf acht Millionen Euro

pro Jahr.“ (Bittermann, 2008)

28.05.2013 CAE@PA Folie 13


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• in allen Lifecycle-Phasen kommen eine Vielzahl

unterschiedlichster CAE-Systeme zum Einsatz (Je nach

Gewerk, eigene, auf ihre Umgebung optimierte CAE-

Systeme) Einsatzgründe:

hist. großer Marktanteil und weite Verbreitung

Speziallösungen; besondere Funktionen (features)

Zwang (z.B. teilweise bei Entwicklungsumgebungen

von Steuerungen)

CAE-Werkzeugvielfalt

28.05.2013 CAE@PA Folie 14


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• … Vielzahl unterschiedlichster CAE-Systeme …

CAE-Werkzeugvielfalt

• Verfahrensentwicklung: Simulationswerkzeuge zur

Prozessmodellierung wie z.B. AspenPlus, UniSim, Matlab

• Apparate- und Rohrleitungsplanung: Konstruktionswerkzeuge

wie z.B. AutoCAD, MicroStation, PDS 3D

• Instrumentierung (PLT-Hardware): Spezifikation und Planung

der EMSR-Technik mit z.B. SmartPlant Instrumentation,

Comos, PRODOK

• Instrumentierung (PLT-Software): Steuerungs- und

Regelungsprogrammentwurf mit z.B. logiDOC, Comos,

• Elektroplanung: Planung der Energieversorgung und –

verteilung mit z.B. EPLAN, SmartPlant Electrical, Comos

• weitere für bspw. die Konfiguration der Feldgeräte und

Steuerungen und die Instandhaltung der Anlage

28.05.2013 CAE@PA Folie 15


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Datenintegration

Datenintegration in CAE-Systeme notwendig um die Daten im Lifecycle

einer Anlage zur Verfügung zu haben

28.05.2013 CAE@PA Folie 16


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• Möglichkeiten der Datenübertragung

worst case: Datenübernahme per Hand

Datenintegration

average case: Generierung der Daten aus übergebener

Datenbank

best case: konsistente und gewerkeübergreifende

Datenhaltung über den gesamten Anlagenlebenszyklus

• Ansätze zur digitalen Datenintegration

Punkt-zu-Punkt Integration

zentrales Data Warehouse

verteiltes Data Warehouse

28.05.2013 CAE@PA Folie 17


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Punkt-zu-Punkt Integration

Datenintegration-Lösungsansätze

• jede CAE-Anwendung besitzt eigene Datenhaltungskomponente

und je eine direkte Schnittstelle zu anderen CAE-Anwendungen

CAE-Tool A

DB

CAE-Tool K

DB

CAE-Tool B

CAE-Tool H

CAE-Tool Z

• Vorteil: keine Absprache zwischen Herstellern der Tools notwendig

• Nachteile: Einbinden neuer Tools bzw. Toolupgrade sind sehr

aufwändig, Änderungen schwer zu verwalten und nachvollziehbar

sehr unflexibel und teure Pflege Integrationspunkte

28.05.2013 CAE@PA Folie 18

DB

DB

DB

n*(n-1) Schnittstellen


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zentrales Data Warehouse

Datenintegration-Lösungsansätze

• zentralisierte Datenintegration mittels einer Datenbank

MOAD „Mother of all Databases“

CAE-Tool A CAE-Tool H CAE-Tool B CAE-Tool K CAE-Tool Z

Data Warehouse (MOAD)

2*n Schnittstellen

• Vorteile: ein Datenmodell für alle Anwendungen, Datenstand ist

immer konsistent

• Nachteile: Komplexität der Datenmodelle (Anpassungen

aufwändig), Performanceschwierigkeiten (Datenbankauslastung,

Datenübertragung), Modularität eingeschränkt (neue Tools

(Module) müssen direkt auf zentraler Datenbank aufsetzen)

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Applikation für zentrales Data Warehouse

Comos PT

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verteiltes Data Warehouse

Datenintegration-Lösungsansätze

• dezentrale Datenhaltung jedes CAE-Tools und Integration über eine

zentrales Data Warehouse mittels Adapter

CAE-Tool


A CAE-Tool H CAE-Tool B CAE-Tool K CAE-Tool Z

DB A DB A DB A DB A DB A

Data Warehouse

2*n Schnittstellen

• Vorteile: Datenmodelle der Anwendungen können unterschiedlich

sein, Ankopplung neuer Tools bzw. Toolupgrades nur auf

Adapterebene

• Nachteil: ständig konsistenter Datenstand nicht garantiert

28.05.2013 CAE@PA Folie 21


Application

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Applikation für verteiltes Data Warehouse

SmartPlant

Foundation

Application

Application Application

SmartPlant Enterprise

28.05.2013 CAE@PA Folie 22


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Normenansätze

Datenintegration-Lösungsansätze

• zahlreiche Ansätze wurden in den letzten 2 Jahrzehnten verfolgt

den Austausch von Informationen und Daten zu standardisieren

• Vereinheitlichung des Datenmodells (Datenhaltung)

zentrales Data Warehouse

• Vereinheitlichung des Datenaustausches verteiltes Data

Warehouse

• STEP (ISO 10303)

• ISO 15926

• XMpLant

• CAEX

• PandIX

• NE 100

28.05.2013 CAE@PA Folie 23


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Einführung

ISO 15926

• This International Standard specifies a representation of

information associated with engineering, construction and

operation of process plants. This representation supports:

• the information requirements of the process industries in all

phases of a plant’s life-cycle;

• sharing and integration of information amongst all parties

involved in the plant’s life-cycle.

• The following are outside the scope of ISO 15926:

• commercial, business, and administrative data that are not

directly related to the engineering, operation and maintenance

of process plants.“

28.05.2013 CAE@PA Folie 24


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Entstehung

• Die Ansätze von

• PI-STEP (BP, Shell, AMEC),

ISO 15926

• POSC Epicentre Datenmodel (CAESAR -Norwegen),

• EPISTLE Datenmodell (Shell – Niederlande) und

• USPI-NL Industry Organization (Dänemark)

• wurden unter der Organisation PIEBASE (Process

Industries Executive for Achieving Business Advantage

Using Standards for Data Exchange) zusammengeführt und

an ISO weitergegeben.

• Gestaltung des Standards wird unter Federführung

POSC/CAESAR (Petrotechnical Open Standards Consortium)

und FIATECH (amer. Industriekonsortium) vorangetrieben.

28.05.2013 CAE@PA Folie 25


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Grundlagen

(L. v. Wedel 2012)

Teil 2

Datenmodell

Teil 4

Referenzdaten

Teil 7

Template-Methodik

Teil 8

RDF / OWL

Teil 9

Fassaden

ISO 15926

Grammatik einer Sprache

Wörterbuch

Phrasen &

Sätze

Schrift / Papier

Bücher lesen

28.05.2013 CAE@PA Folie 26


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Aufbau

• ISO 15926 besteht aus 11 Teilen

• Teil 1: Überblick und Prinzipien

• Teil 2: Datenmodell

ISO 15926

• Teil 3: Referenzdaten für Geometrie und Topology

• Teil 4, 5, 6: Referenzdaten

• Teil 7: Umsetzung mit Templates

• Teil 8: Umsetzung mit Semantic Web Technologien

• Teil 9: Implementierung

• Teil 10: Test Methoden

• Teil 11: Industrial Usage Guidelines

28.05.2013 CAE@PA Folie 27


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Teil 1: Ziele des Standards

ISO 15926

• Verwaltung der Informationsanforderungen der Prozessindustrie

und Integration der Informationen entlang aller beteiligten

Gewerke

• Definition eines generisches Datenmodels, welches die

aufkommenden Daten in allen Phasen eines Anlagen-Lebenszyklus

abdecken soll

• Erstellung von allgemein gültigen Referenzdaten

• Definition von Prozeduren zur Pflege und Erweiterung der

Referenzdaten

• Methoden zur Entwicklung von Vorgaben zum Datenaustausch

(Mapping) zwischen dem Datenmodel und externen Daten

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Teil 1: Überblick und Prinzipien

• Process plant life-cycle activity model

• Ein alter Bekannter

ISO 15926

28.05.2013 CAE@PA Folie 29

(ISO 15926-1)


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Teil 1: Begriffsdefinitionen: (Beispiele)

• Individual

• thing that exists in space and time

• Reference Data

ISO 15926

• process plant life-cycle data that represents information about

classes or individuals which are common to many process

plants or of interest to many users

• Data Warehouse

• data store in which related data are merged to provide an

integrated set of data containing no duplication or redundancy

of information, an which supports many different application

viewpoints

28.05.2013 CAE@PA Folie 30


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Teil 2: Datenmodell

• Beschreibung 201 verschiedene

Entitäten inklusive deren Attribute

• Entitäten sind in hierarchischen

Strukturen gliederbar

• Attribute sind Verweise auf weitere

Entitäten oder Datentypen

• Relationen und Aktivitäten werden

definiert und präsentieren

wieder Entitäten

• Wurzel ist das Element „thing“

ISO 15926

28.05.2013 CAE@PA Folie 31


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Teil 2: Datenmodell

• thing: A thing is anything that is or may

be thought about or perceived, including

material and non-material objects, ideas,

and activities. Every thing is either a

possible individual, or an abstract object.

• possible individuals are entities that

exist in space and time, including physical

objects like a compressor or imaginary

individuals like Sherlock Holmes. A

possible individual has a life cycle

bounded by beginning and ending events

ISO 15926

28.05.2013 CAE@PA Folie 32


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Physical Object

• a physical_object is a distribution of

matter and/or energy in time and space

• physical_objects are always a part of

space and usually, though not necessarily,

have a non-zero temporal extension.

• materialized_physical_objects are

physical_objects that consist of the same

or slowly changing material or energy

during their existence. This includes most

of what are often described as concrete

objects. e.g. mechanical pump

ISO 15926

28.05.2013 CAE@PA Folie 33


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Functional physical object

ISO 15926

• functional_physical_objects are physical_objects based on

continuity of intended function. The material that makes up the

object can be completely changed, provided the intended function

of the individual remains the same.

28.05.2013 CAE@PA Folie 34


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Class

• A class is a category, sort or a division of

things with some common nature

• Classification allows something to be a

member of many classes.

• Example:

ISO 15926

28.05.2013 CAE@PA Folie 35


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Teil 2: Datenmodel - Diagrammtypen

• Space-time Maps

Darstellung konkret existierende

Instanzen im Datenmodell

• Model Diagrams

Beschreibung der Beziehung

zwischen den einzelnen Entitaten.

• Instance Diagrams

Erklärung durch Beispiele

ISO 15926

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Teil 4: Referenzdaten

• „… is like the definitions of terms

in a natural language; similar

to a dictionary or thesaurus.”

• Referenzdatenbibliothek zur Darstellung von

„Standard“elementen

• Pipe; Valve; Pumpe

• frei verfügbar

• JORD Project:

• http://posccaesar.org/endpoint/

• http://rdl.rdlfacade.org/

• DEXPI Project:

• http://sandbox.dexpi.org/

ISO 15926

Fiatech (2011)

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Teil 4: Beispiel

• Centrifugal Pump:

• http://rdl.rdlfacade.org/data#R84144178538

• Plant Location has Plant Object:

• http://tpl.rdlfacade.org/data#R56493865993

• hasPart:

• http://tpl.rdlfacade.org/data#R58951773002(Pump)

• hasWhole

ISO 15926

• http://tpl.rdlfacade.org/data#R85898998707(Plant Site)

• Plant Location:

• http://rdl.rdlfacade.org/data#R74863378857

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Teil 9: Facaden

• sollen den netzwerktransparenten Zugriff auf Anlagendaten

ermöglichen

ISO 15926

• Schnittstellen gegen die eine Nutzeranwendung kommuniziert

• Webserver mit einheitlicher API

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- Intergraph hat mit Statoil in der Umgebung „SmartPlant

Foundation“ die ISO 15926 implementiert

- Bentley biete mit „OpenPlant“ eine Sammlung von

Anwendungen, deren Datenformat ISO 15926 konform sind

- Aveva - Aveva Plant

ISO 15926 - Anwendung

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• B. Smith (2006) Against Idiosyncrasy in Ontology Development

• ISO 15926 ist keine Ontologie, sondern lediglich ein schlecht

definiertes Datenmodell

• ISO 15926 verletzt

• The principle of intelligibility

• The principle of openness

• The principle of simple tools

• The principle of re-using available resources

• The principle of terminological moderation

• The principle of intelligible definitions

• The principle of terminological coherence

• The principle of compositional term construction

• …

• Kritik an der Kritik

Kritik an ISO 15926

28.05.2013 CAE@PA Folie 41


Fakultät ET/IT Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

Übersicht

(L. v. Wedel 2012)

• Halb-offene Technologie der Fa. Noumenon

• XML als technische Basis

• Schema frei verfügbar

• Kommerzielle Komponente: Modellgenerierung

• Implementiert nach Part 2-4 der ISO 15926

XMpLant

• Unterstützt Austausch von Grafik und einfach strukturierter

Daten

• Erste Implementierungen in vielen gängigen CAE-

Werkzeugen

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Fakultät ET/IT Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

Modell

XMpLant

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Zusammenfassung

• ISO 15926 gewinnt zunehmend an Bedeutung

• XMpLant ist ein guter Start

• Aber:

• Teilweise ISO 15926 kompatibel (gleiches Vokabular)

• Gemeinsame Datenstruktur auch später nützlich

• Anwendungsbereich begrenzt

XMpLant

• Erweiterung auf Lebenzyklus, Datenintegration, etc. schwierig

• Parallele Betrachtung der ISO-OWL Modellierung notwendig

• XMpLant = Brückentechnologie zur ISO 15926 Einführung

• DEXPI Projekt

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