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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

Aufgaben und Strukturen der Prozessleittechnik · Struktur dezentraler PLS •ABK: Anzeige-/Bedienkomponente •PNK: Prozessnahe Komponente •EK: Engineering Komponente (auch EWS

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  • Fakultt ETIT, Institut fr Automatisierungstechnik, Professur fr Prozessleittechnik

    VL Prozessleittechnik 1 SS 2013

    Professur fr Prozessleittechnik

    Aufgaben und Strukturen der Prozessleittechnik - 2

  • bersicht

    Einordnung des Themengebiets

    Prozessfhrung, Prozessleittechnik, Prozessleitsystem

    Historische Entwicklung

    Automatisierungsstufen, Sichtbare Vernderungen

    Aufgaben der PLT

    Basisaufgaben Automation, Basisaufgaben Information

    Strukturen und Architekturen

    Anforderungen, Funktions- und Ebenenmodelle, Komponenten

    Urbas 2012-2013 PLT-1 Folie 2

  • Fakultt ETIT, Institut fr Automatisierungstechnik, Professur fr Prozessleittechnik

    Wiederholung: Aufgaben der Prozessleittechnik

  • Aufgaben der Prozessleittechnik

    Basisaufgaben Automation

    Messen und Wandeln von Prozessgren

    Steuern und Sichern durch Abarbeitung von Logikprogrammen

    Regeln zur Stabilisierung von Prozessgren

    berwachen und Erkennen von (gefhrlichen) Prozesszustnden

    Anzeigen: Darstellen von Prozess- und Fhrungsgren

    Bedienen: Fhrende Eingriffe durch Bedienpersonal

    Basisaufgaben Information

    Archivieren: Bereitstellen von Information ber lange Zeitrume

    Konfigurieren: Automatisches Erkennen und Einbinden von Sensoren und Aktoren

    Vermitteln: zwischen Unternehmensleitebene und Produktion

    Absichern: gegen unerlaubte aktive oder passive Zugriffe von innen oder auen

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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 fr die Prozessindustrie

    Informationsdrehscheibe mit Schnittstellen zum Prozess und zu betrieblichen Informationsbedarfstrgern

    Monolithische Systeme / verteilte Systeme

    Anforderungen an PLS aus den verschiedenen Aufgaben

    Echtzeitfhigkeit

    Hohe Verfgbarkeit

    Offenheit & Interoperabilitt

    Durchgngigkeit

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  • Echtzeitfhigkeit

    Vielfltige Definitionen, beispielsweise

    logische und zeitliche Determiniertheit

    Garantierte Einhalten von Zeitschranken

    Dauerhafte Bereitschaft zur Erbringung eines Dienstes

    Definition fr PLT-1:

    Mit einem echtzeitfhigen System kann bei der Einhaltung bestimmter Vorgaben und Regeln beim Engineering eine Garantie abgegeben werden, dass die Wirkketten des Systems vorgegebene Deadlines unabhngig von dem aktuellen Prozesszustand einhalten werden

    Dies gilt auch fr das Verhalten von Wirkketten bei erkennbaren technischen Ausfllen PLT-2 (Zuverlssigkeit, funktionale Sicherheit)

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    Verfgbarkeit ( PLT-2)

    Kurzzeitige Ausflle knnen zu hohen Ausfallkosten fhren

    Fehlcharge, Wiederanfahren,

    Hohe Verfgbarkeit durch

    Redundanz von Hard- und Softwarekomponenten

    Unterbrechungsfreie bernahme von Funktionen bei Strungen

    Wie muss eine hochverfgbare Leittechnikarchitektur aussehen?

    Wie kann man Verfgbarkeit berechnen?

  • Offenheit und Interoperabilitt

    Anlagen werden nicht als Inseln betrieben. Sie sind in den Informationshaushalt des Unternehmens zu integrieren

    Wirtschaftliche Daten, Betriebsfhrung, Logistik, Qualittssicherung, Engineering

    Offenheit: Die jeweiligen Hersteller legen Schnittstellen und Systemeigenschaften offen, damit andere Anwendungen angekoppelt werden knnen.

    Interoperabilitt: Unterschiedliche Komponenten unterschiedlicher Hersteller knnen ohne Zusatzaufwand miteinander betrieben werden.

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    Durchgngigkeit ( CAE-PA)

    PLS bestehen aus unterschiedlichen Komponenten mit vielfachen internen Schnittstellen.

    Forderung nach einfacher Pflege

    Durchgngigkeit: Eine Prozessinformation, die irgendwo im System bekannt ist, muss ohne Zusatzaufwand jeder Komponente zugnglich 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 gertetechnischen Grundstrukturen

    rumlich zentral, funktionell dezentrale Einzelregler, Bedienung ber Einzelgerte

    rumlich dezentral, funktionell partiell zentrale mehrkanalige Regler, Bedienung ber BSG

    rumlich dezentrale und funktionell dezentrale Einzelregler, Bedienung ber Bildschirmgerte

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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/Ausgnge,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 ber E/A-Gruppen oder Feldbus

    Komponenten:

    Stromversorgung *

    Prozessormodul (*)

    Schnittstelle zum Systembus *

    Schnittstellen zum Anschluss von Remote-I/O, Feldbusgerte und andere intelligente Einheiten

    Spezialmodule, z.B. fr Motorsteuerung, eigensichere Signale,

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  • Funktionen und Merkmale von PNK

    Funktionen

    Regeln und Steuern mit Zykluszeiten 1 bis 100ms

    Ausfhren 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, kaufmnnisches und technisches Berichtswesen

    Laborautomatisierung (LAS), Labor-Informations-Managementsysteme (LIMS)

    Enterprise Ressource Planing-Systeme (ERP)

    Betriebliche PCs (Auswertung, Tabellenkalkulation)

    Produktionsplanung und steuerung

    Qualittssicherung (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, darber herstellerspezifisch

    redundante Ausfhrung

    PNK PNK : eigentlich Kommunikation mit Echtzeiteigenschaft

    erforderlich, hufig auch Ethernet mit 100 Mbit/s

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    Kommunikation

    ISO/OSI Schichtenmodell (Details in der nchsten Vorlesung)

    Schicht 1: Kupfer-Koax, Lichtleiter

    Schicht 2: Token Bus (IEEE 802.4), Ethernet (IEEE 802.3)

    Schicht 3-4: hufig PLS intern weggelassen, nach auen meist TCP/IP

    Schicht 5-6: nicht ausgeprgt

    Schicht 7: PLS intern herstellerspezifisch, nach auen OPC, http

    bertragungsraten

    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 Systemfunktionalitt (engl. engineering station ES)

    Definition der Funktion von PNK und ABK durch Verknpfen und Parametrieren von Softwarebausteinen

    Heute meist grafische Konfiguration mit domnenspezifischen Sprachen

    Funktionsbausteine (FBS), engl.: Continous Function Chart (CFC)

    Ablaufsteuerung (AS), engl.: Sequential Function Chart (SFC)

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  • Funktionsintegration

    Integration hherer IV-Funktionen der Prozessfhrung

    Advanced Control (APC), Messwertvalidierung (DR), Qualittsmanagement (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 Gerte

    Engineering Methoden fr 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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  • Fakultt ETIT, Institut fr Automatisierungstechnik, Professur fr Prozessleittechnik

    PLS vs. SPS

  • PLS vs. SPS

    Bis 90er Arbeitsteilung

    SPS Steuerung niedriger Komplexitt, berwiegend binre Signale, sicherheitsgerichtete Logik, Systemhalt bei Rekonfiguration mglich

    PLS Regelung hoher Komplexitt, enge Verknpfung 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

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    Komponentenarchitekturen

  • Generische Strukturen (Karnouskos et al. 2010)

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  • Urbas 2012-2013 PLT-1 Folie 34

    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 fr die Prozessleittechnik

    DIN 19222V Leittechnik Begriffe

    Favre-Bulle, B.: Automatisierung komplexer Industrieprozesse. Wien : Springer-Verlag, 2004

    Frh, K.F., Maier, U. (Hrsg.): Handbuch der Prozessautomatisierung. Mnchen : Oldenbourg Industrieverlag, 2004

    Felleisen, M.: Prozessleittechnik fr 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. 13851391, 2010. doi:10.1109/IECON.2010.5675482

    Kopec, H. and Maier, U.: Critical annotations on present distributed control systems. atp - Automatisierungstechnische Praxis, 47(3), 2428, 2005.

    Polke, M.: Prozessleittechnik. Oldenbourg Industrie Verlag, 1992

    Urbas, L.: Process Control Systems Engineering. Oldenbourg Industrieverlag, 2012

    VDI/VDE 3699 Prozessfhrung mit Bildschirmen

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