1. Engineeringphasen, Anforderungen

Präsentation zum Thema: "1. Engineeringphasen, Anforderungen"—  Präsentation transkript:

1 1. Engineeringphasen, Anforderungen
Automationssysteme, Engineering Inhalt 1. Engineeringphasen, Anforderungen 2. Verfahrenstechnische Planung 3. Anlagenplanung - mechanische, elektrische, leittechnische Anlagenplanung 4. Entwurfsstrategien in der Leittechnik- Planung - vertikale / horizontale Strukturierung, - Petri-Netze, Ablaufplan 5. Objekt- orientierte Leittechnik- Planung - Klassen, Instanzen, - Ziele - “Aspect Objects” (ABB) 6. SW- Agenten, “Industrie 4.0” 7. Handhabung der “Wiederholtechnik” - Modelle, UML - Auswahlhilfe durch Engineeringtool (ABB Reuse Assistant) - „DIMA“: Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen 8. Modularisierung 9. Feldbus - Integration - GSD - EDD - FDT / DTM - FDI September 2017 Dezember 2015 November 2016 Februar 2016 Juli 2015 August 2014

2 Engineeringphasen, Anforderungen Anforderungen
Anlagen - „Engineering“ umfasst: Fachgebiete („Gewerke“) Verfahrenstechnik Gebäude mechanische Anlage (Rohre, Pumpen, ..) elektrische Anlage (Abzweige, Kabel, ..) Leitanlage (MSR, Kommunikation) Funktionaler Entwurf „Codierung“ (Masch.Progr.) Montage, Inbetr.n. Wartung, Res.Halt. Anlagen - Phasen Aufgabenstellung Grob-Planung Detail-Planung Errichtung Betrieb (Demontage) Heutige Anforderungen: Realisierung durch: Hilfsmittel: Kostenreduzierung - Anwendung von Standards - Anwender-spezifische Funktions-Bausteine - Wiederholtechnik - Modelle, Modell - Sprachen zum Finden geeigneter ausgeführter Lösungen, - Tools zum Finden und Verbinden von Objekten - Auslagerung, Kunden-Eigenplanung - wenige Standardtools Flexibilität, Schnelligkeit - iterative Planung, - Vernetzung der Fachgebiete - parallele Abwicklung mit Datenaustausch - Simulation als Vorbereitung der Inbetriebnahme Datenkonsistenz - während allen Phasen - interaktive Datenbasis - Standard - Schnittstellen! - zwischen Fachgebieten - gemeinsame Datenbasis Asset Management - Zugriff auf Engineeringdaten - Vernetzung Engineering - Asset Man.-Tool durch Asset Management Tool - Integration des Asset Man. Tools

3 Verknüpfung der Fachgebiete
Engineeringphasen: Verknüpfung der Fachgebiete Zusammenspiel verschiedener Tools: Integration verschiedener Tools über Objekt - orientierte Integrationsplattform: Datenaustausch meist manuell oftmals getrennt! Tools für Verfahr.- technik - Planung Tools für Anlagen - Planung Tools für Leittechnik - Planung und - Betrieb: Tools für Verfahr.- technik - Planung Anlagen - Konfig. An- zeige und Bed. Pro- zess- nahe Komp. Feld- bus, Ger. Asset Man- age- ment Objekt - orientierte Informationsplattform Projektdokumentation Anz. und Be- dieng. Proz.- nahe Komp. nenten Feld- bus, geräte Asset Man- age- ment z.B. NE150 NAMUR- Datencontainer PLT-Stelle Projektdokumentation - Eingeschränkte Datenkonsistenz durch Datenaustausch zwischen verschiedenen, proprietären Tools für Verfahrenstechnik, Anlagenplanung und Leittechnik, insbesondere nach Errichtung der Anlage - Oftmals noch getrennte Tools für Feldbusgeräte und Asset Management - Probleme mit Schnittstellen (erste Versuche mit XML) + Aktualität und Datenkonsistenz einer gemeinsamen Datenbasis über alle Fachgebiete, auch nach Errichtung der Anlage - durch Hersteller - spezifische Objekte und Interfaces in der konventionellen Planung praktisch (noch) nicht angewandt. + neue Norm DIN EN (VDE ), gültig seit „Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik, Fließbilder und Datenaustausch zwischen EDV-Werkzeugen zur Fließbilderstellung und CAE- Systemen“ umfasst Darstellungen und das Datenaustausch- Format CAEX + Im Modell PandIX der RWTH wird an der Speicherung aller relevanten Daten und dem Zugriff durch alle Tools gearbeitet. + aktuelle Tools: COMOS (Siemens), ProDok (Rösberg), EPLAN September 2017

4 Gliederung: Verfahrenst. Planung
Automationssysteme, Engineering Gliederung: Verfahrenst. Planung 1. Engineeringphasen, Anforderungen 2. Verfahrenstechnische Planung 3. Anlagenplanung - mechanische, elektrische, leittechnische Anlagenplanung 4. Entwurfsstrategien in der Leittechnik- Planung - vertikale / horizontale Strukturierung, - Petri-Netze, Ablaufplan 5. Objekt- orientierte Leittechnik- Planung - Klassen, Instanzen, - Ziele - “Aspect Objects” (ABB) 6. SW- Agenten, “Industrie 4.0” 7. Handhabung der “Wiederholtechnik” - Modelle, UML - Auswahlhilfe durch Engineeringtool (ABB Reuse Assistant) 8. Modularisierung 9. Feldbus - Integration - GSD - EDD - FDT / DTM - FDI

5 Prozesstechnik: Grundfließschema Fertigungs- und Maschinentechnik:
Verfahrenstechnische Planung Grundfließschema Prozesstechnik: Zusatz Zerkleinerung Einsatzstoff Lösung Lösemittel Reaktion Abgas- Wäsche Abgas Konzen- tration Rückge- winnung Rein- destillation Endprodukt Abwasser Rückstand Chemie-Anlage 3 Grundfließschema Darstellung eines Verfahrens / einer verfahrenstechn. Anlage in einfacher Form (DIN EN ISO ) (Laborerkenntnisse umsetzen in großtechnische Vorgänge) Grundfließschema Grundinformationen („muss“): - Benennung der Rechtecke, - Benennung der Ein- und Ausgangsstoffe Fließrichtung der Hauptstoffe zwischen den Rechtecken Zusatzinformationen („darf“): - Benennung der Hauptstoffe Fließlinien für Stoffe / Energien - Durchflüsse / Mengen der Ein- und Ausgangsstoffe - Verfahren / Verfahrensabschnitte, Grundoperationen, - Verfahrenstechn. Anlagen bei Anlagenkomplexen, - Teilanlagen / Anlagenteile -. Durchflüsse / Mengen von Energie / Energieträgern - Charakteristische Betriebsbedingungen Fertigungs- und Maschinentechnik: gießen Grate abschleifen bohren 1. Verbale Beschreibung (Konstruktion umsetzen in Produktionsvorgänge) Spätere Anlagenplanung: 2. CAD-Planung der Fertigungseinrichtung 3. Daten-Verifikation August 2016

6 Verfahrensfließschema (Grundinformation)
Verfahrenstechnische Planung (Prozesstechnik) Verfahrensfließschema (Grundinformation) Darstellung eines Verfahrens / einer verfahrenstechn. Anlage mit Hilfe von graph. Symbolen (= Anlagenteile), die durch Linien (Fließlinien für Stoffe / Energie) verbunden sind (DIN ) Verfahrens- Fließschema Reindestillation vereinfacht von Konzen- tration Dampf 3,1 MPa 24 1 13 =E1 =G3,4 Rückstand =V1 =C1 Endprodukt (1500 kg/h) Kühlwasser 20°C =E2 =G1,2 Konzentrat (1515 kg/h) 23 kPa 130°C 3 kPa 105°C Reindestillation Verfahrensfließschema Grund- Informationen: - Art, Bezeichnung von Apparaten, Maschinen - Fließwege, -Richtungen - Art, Durchflüsse von Ein- u. Ausgangsstoffen - Energie / -Träger - charakteristische Betriebsbedingungen (Bild aus DIN 10628, vereinfacht, Kennzeichnung aktualisiert)

7 Verfahrensfließschema (Grund- u. Zusatzinfo)
Verfahrenstechnische Planung Verfahrensfließschema (Grund- u. Zusatzinfo) Reindestillation vereinfacht 13,5m =E2 20 m2 Kühlwasser 20°C mit Zusatz- Informationen: FRC 24 von Konzen- tration - Art, Durchflüsse von Stoffen innerhalb, - Anordnung wesentl. Armaturen, - MSR- Aufgaben an wichtigen Stellen - kennzeichnende Größen Apparate, Maschinen* - kennzeichnende Daten von Antriebsmaschinen* - Ungefähre vertikale Anlagenteil- Positionen (* ggf. in getrennter Liste) FRC End- Produkt 13 LRCA TRC FFC =V1 =C1 1 FRC LRCA FRC Dampf 3,1MPa =E1 =G1,2 5 m3/h 30 m 15 m2 Rückstand 0,0m =G3,4 1 m3/h 25 m Reindestillation Verfahrensfließschema (Bild aus EN ISO 10628, vereinfacht, Kennzeichnung aktualisiert)

8 Gliederung: Anlagenplanung
Automationssysteme, Engineering Gliederung: Anlagenplanung 1. Engineeringphasen, Anforderungen 2. Verfahrenstechnische Planung 3. Anlagenplanung - mechanische, elektrische, leittechnische Anlagenplanung 4. Entwurfsstrategien in der Leittechnik- Planung - vertikale / horizontale Strukturierung, - Petri-Netze, Ablaufplan 5. Objekt- orientierte Leittechnik- Planung - Klassen, Instanzen, - Ziele - “Aspect Objects” (ABB) 6. SW- Agenten, “Industrie 4.0” 7. Handhabung der “Wiederholtechnik” - Modelle, UML - Auswahlhilfe durch Engineeringtool (ABB Reuse Assistant) 8. Modularisierung - „DIMA“: Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen 9. Feldbus - Integration - GSD - EDD - FDT / DTM - FDI

9 Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema (R&I)
Mech. Anlagenplanung (Prozesstechnik) Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema (R&I) Basiert auf dem Verfahrens- Fließschema, illustriert durch graphische Symbole für Anlagenteile u. Rohrleitungen sowie Mess-, Regel- und Steuerfunktionen die technische Realisierung eines Verfahrens (DIN ) R&I- Fließschema 24 1 13 FRC -B1 TRC -B3 Dampf 3,1 MPa =E1 von Konzentration, Zeichn.Nr. … =G3 LRCA -B5 =V1 Kühlwasser 20°C =E2 20 m2 15 m2 -Q2 -Q3 -Q4 -Q1 1000 kg/h -B2 TI -Q5 PI -B4 M =G4 -Q7 -Q6 FI 35 m3/h 13,5m -H1 -G1 -M1 -E1 -V1 0,0m Reindestillation (Teil) vereinfacht Grund- Informationen: - Funktion und Art der Apparate u. Maschinen, - MRS- Funktionen - Identifikations- Kennzeichen für Apparate, Maschinen, Armaturen, MRS- Funktionen - kennzeichnende Größen Apparate, Maschinen* - kennzeichnende Daten von Antriebsmaschinen* - Nennweiten, Druckstufen, Werkstoff von Rohrleitungen (* ggf. in getrennter Liste) Zusatz- Informationen: - Durchflüsse, Fließwege von Energieträgern, Vertikale Positionen, (und andere) (Bild aus EN ISO 10628, Auszug, vereinfacht, Kennzeichnung aktualisiert auf DIN , entspricht nicht heutigen Tabellen!) September 20´17

10 Mech. Anlagenplanung (Prozesstechnik) Datenfluss
Graphik: künftig nur „spezielle Datenanzeige“? Destillation R&I- Fließschema Destillation Verfahrens- Fließschema Verfahrens-Fließschema Chemie- Anlage 3 Grund-Fließschema Datentransfer- Protokolle Datenbank Daten: mit Bibliotheken für: Proz.Anl.Elemente-Typen Rohrleitungen, Behälter Pumpen, Verdichter, Armaturen, usw. PLT-Stellen-Typen Sensoren Steuerungen / Regelungen Aktoren

11 Norm: DIN EN 62424:2010-01: Darstellung von
Anlagenplanung (Prozesstechnik) Datenaustausch Norm: DIN EN 62424: : Darstellung von PLT- Aufgaben in R&I- Fließbildern und Datenaustausch Fließbilder – CAE-System Aufgabe: - Weitergabe von Daten, - Synchronisierung Datenbestände Nicht in der Norm, aber Praxis: propr. Energietechn. Datenbank Abzweig-relevante Daten proprietäre R&I- Datenbank PCE- relevante Daten PCE- Export / Import (Process Control Engineering) CAEX Zwisch- en-Datenbank (Computer Aided Engineering eXchange) XML-Daten in neu tralem Format PCE- relevante Daten Weitere Datenaustausch- Formate am Markt! PCE- Export / Import PCE- Engineering- Datenbahnk PCE- relevante Daten CAE- System

12 Darstellung Prozessanlagen- Elemente (DIN 10628)
Anlagenplanung (Prozesstechnik) Darstellung Prozessanlagen- Elemente (DIN 10628) Symbole nach DIN 10628, Auszug Festgelegte „Anschlusspunkte“ insbesondere für die Chemie: viele detaillierte Symbole in der Norm! (z.B. bei Eng.Syst. „PandIX“, nicht Norm) Rohrleitungen Hauptltg. Nebenltg. Steuerltg. Dampf Wasser Öl Luft Gas: brenn- nicht bar brennb. P1 Behälter, Apparate Verschiedene Formen (Beispiele) P2 P3 Abscheider (Sichter) Trockner Kolonne Filter Wärmetauscher P1 P2 P3 P4 Zerkleinerungs- Maschine Band-Förderer Kondensat- ableiter Flüssigkeits- Pumpen allgemein, Kreisel- P1 P2 Membran- Zahnrad- … -Pumpe Verdichter, Kompressor, Vakuumpppe allgemein, Gebläse, Ventilatoren allgemein, Armatur mit stetigem Stellverhalten Armaturen Absperr- armatur allgemein Dreiwege- Armatur allgemein Absperr- Ventil Absperr- Schieber Absperr- Klappe Rückschlag- Armatur allgemein Sicherheits- Ventil allgemein P1 P2

13 Darstellung PLT – Stellen (DIN 62424)
Anlagenplanung (Prozesstechnik) Darstellung PLT – Stellen (DIN 62424) „PLT- Stellen“ sind: Darstellung nach DIN : (angewandt z.B. bei Siemens COMOS) Klassifizierung z.B. „L“ für Level, „C“ für Control PCE- Aufgaben (hier: Regelung) Sensoren: Messstellen im Prozess, z.B. für Temperatur, Druck, … LC CA1BL1 CA1BL2 (Rohrleitung) lokale Anzeige (kein Strich) Anschluss- Punkte Identifizierung nach Kennzeichnungs- System mit zentralem Leitstand verbunden Aktoren: HS CA1QN1 manuell betätigt (Doppelstrich) / in lokalem Schaltpult Pumpen, Gebläse, Armaturen YS CA1QN2 PCE- Leit- Funktionen: UC CA1KF1 Steuerungen, Regelungen, bei mehreren Eingangssignalen Verknüpfung / Verarbeitung von Messgrößen, z.B. 2v3

14 PLT- Stellen, Zusatzinformationen
Anlagenplanung (Prozesstechnik) PLT- Stellen, Zusatzinformationen Sensor: Aktor: Klassifizierung „normaler“ Betrieb Größe High High High High High High Low Low Low Low Low Low AZHHH AHH ASH Verwendung „obere“ (>) Grenzwerte Stellantrieb ist OFFEN (High) ZU (Low) (für Steuerung) Hersteller Typical RTI T4711 YS CA1QN2 SH SL LC CA1BL2 SIL3 Geräte- information ASL ALL ALLL Verwendung „untere“ (<) Grenzwerte Identifizierung nach Kennzeichnungs-System IEC ggf. nur letzte Ebene (=BL2) Falls benötigt: Forderungen nach Sicherheit mit SIL-Level, GMP (Qualitäts-gerechte Produktion) Qualitäts- relevant Leittechnik- Funktion Anwendung: Klassifizierung Hersteller Typical RTI PI CA1BP1 SHH AH Prozessverbindung: durchgezogen (misst Druck) Signalverbindung: gestrichelt (schaltet bei P > HH, gibt Alarm bei P > H) T4812 CA1KF1 UZ Ausgang Geräte- information 2oo3 Eingänge Identifizierung nach Kennzeichnungs- System November 2016

15 PLT- Stellen, Klassifizierungsbuchstaben (DIN 62424)
Anlagenplanung PLT- Stellen, Klassifizierungsbuchstaben (DIN 62424) PCI A Zusatzinformation außerhalb des Ovals Folge- Buchstaben: Verarbeitungs- Funktion für Sensoren 1. Buchstabe: Kategorie (ohne Zweitbuchstabe!) A Analyse B Flammenüberwachung (Burner) C (Anwender- definiert) D Dichte (Density) E Elektrische Spannung F Durchfluss (Flow) G Abstand, Länge, Stellung H Hand-Eingabe –Eingriff (alle Eingriffe durch Menschen) I elektrischer Strom J elektrische Leistung K zeitbasierte Funktion L Füllstand (Level) M Feuchte (Moisture) N Motor (auch motorgesteuerte Stellorgane) O (Anwender- definiert) P Druck (Pressure) Q Menge oder Anzahl (Quantity) R Strahlungsgrößen (Radiation) S Geschwindigkeit, Drehzahl, Frequenz (Speed) T Temperatur U Leittechnik- Funktion (wenn mehr als 1 Sensor / Aktor) V Schwingung (Vibration) W Gewicht, Masse, Kraft (Wight) X (für nicht aufgeführte Kategorien) Y Stellventil (wenn nicht N = motorgesteuert) Z (für nicht aufgeführte Anwendungen) A Alarm* B Beschränkung, Eingrenzung C Regelung (Control) D Differenz F Verhältnis H oberer Grenzwert (High), EIN, OFFEN* I Analoganzeige (Indication) L unterer Grenzwert (Low), AUS, Geschlossen* O Lokale oder PCS- Stationsanzeige von Binärsignal* Q Integral oder Summe R aufzeichnen (Recording) S Binäre Steuerungs- od. Schaltfunktion* nicht sicherheitsrelevant X (für nicht aufgeführte Anwendungen) Y Rechenfunktion Z Binäre Steuerungs- od. Schaltfunktion, sicherheitsrelev.* Aktoren: Eigene Tabelle! (* darf nur außerhalb des Ovals verwendet werden)

16 PLT- Stellen, Klassifizierungsbuchstaben, Aktoren
Anlagenplanung PLT- Stellen, Klassifizierungsbuchstaben, Aktoren YS Für Aktoren gilt: YS AUF / ZU – Ventil YC Stellarmatur YCS Stellarmatur mit AUF / ZU – Funktion YZ AUF / ZU – Ventil sicherheitsrelevant YIC Stellarmatur mit kontinuierlicher Stellungsanzeige NS EIN / AUS – Motor NC Motorsteuerung

17 Anlagenplanung PLT- Stellen, Beispiel PI CA1BP1 AZHH AH CA1BP2 CA1BP3
UZ CA1KF1 2oo3, SIL3 F CA1BF1 PI CA1BP4 TI CA1BT1 UY CA1KF2 CA1QN1 CA1BU1 FICR YCZ AL PT-Kompensat. OSH OL LCI CA5BL1 NC CA5GP1 AL ASLL November 2016

18 Energietechnik-Pläne
Elektr. Anlagenplanung Energietechnik-Pläne Übersichtsplan Kupplung Trafo Ein- Speisung „Ab- gänge“ 00 Stromlaufplan Pp 1 L1 -KF1 -U1 -U2 M -KF11 -K12 Von/nach SPS: Befehl Rückm. Tasten EIN /AUS EIN/AUS E / A - + 24V -KF12 L2 L3 N TE TA R&I- Fließschema Engineering- Datenbahnk Auto- matisch? en: “loop diagram“

19 Ablauf bei Prozessleitsystemen
Leittechnische Anlagenplanung Ablauf bei Prozessleitsystemen Konzept - Erstellung für das gesamte Leitsystem: - Produkt, Version, Umfang auswählen, - Standards für Ein/Ausgaben, Verarbeitung, Kommunikation auswählen / erstellen Bibliotheken Sammlung von PLT-Stellen: - Sensoren, Aktoren, Leitfunktionen R&I Hand- Eingabe oder Leittechnik- Planungs- Daten Daten- Übergabe oder Messstellen „Verbraucher“ Direktzugriff Leittechnik- Planungs- Tool Funktionelle Planung: - Funktionspläne (-> „Programmiersprachen“) (noch ohne Zuordnung von HW) HW- Planung - Zuordnung Funktionen zu Controllern - Schrankbestückung, - Spannungsversorgung, Erdung Anschlusspläne, Kommunikationsplanung - Busse, Feldgeräte Maschinencode Maschinencode- Erstellung (ladbarer Code)

20 Ablauf mit SPS Leittechnische Anlagenplanung Kreieren Controller 1
Konzept - Erstellung für das gesamte Leitsystem: - Produkt, Version, Umfang auswählen, - Standards für Ein/Ausgaben, Verarbeitung, Kommunikation auswählen / erstellen Bibliotheken Sammlung von PLT-Stellen: - Sensoren, Aktoren, Leitfunktionen Leittechnik- Planungs- Daten „Projekt“ ggf.: R&I Hand- Eingabe oder Daten- Übergabe oder Messstellen „Verbraucher“ Direktzugriff Kreieren Controller 1 Leittechnik- Planungs- Daten Controller 1 Leittechnik- Planungs- Tool Funktionelle Planung: Funktionspläne (oder andere Sprache) HW- Planung Kommunikationsplanung Maschinencode- Erstellung Kreieren Controller 2 Leittechnik- Planungs- Daten Controller 2 August 2016

21 Gliederung: Entwurfsstrategien
Automationssysteme, Engineering Gliederung: Entwurfsstrategien 1. Engineeringphasen, Anforderungen 2. Verfahrenstechnische Planung 3. Anlagenplanung - mechanische, elektrische, leittechnische Anlagenplanung 4. Entwurfsstrategien in der Leittechnik- Planung - vertikale / horizontale Strukturierung, - Petri-Netze, Ablaufplan 5. Objekt- orientierte Leittechnik- Planung - Klassen, Instanzen, - Ziele - “Aspect Objects” (ABB) 6. SW- Agenten, “Industrie 4.0” 7. Handhabung der “Wiederholtechnik” - Modelle, UML - Auswahlhilfe durch Engineeringtool (ABB Reuse Assistant) 8. Modularisierung - „DIMA“: Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen 9. Feldbus - Integration - GSD - EDD - FDT / DTM - FDI

22 Zerlegung, Hierarchische Strukturierung
Entwurfs- Strategien Leittechnik Zerlegung, Hierarchische Strukturierung Ziel: In Aufgabenstellung geforderte Funktionalität durch SW – System sicherstellen Strategien dazu: - Direkte Umsetzung der Gesamtaufgabe in ein monolithisches Programm -> Nur für kleinere, überschaubare Aufgabenstellungen geeignet Gesamtaufgabe zur Bewältigung komplexer Aufgabenstellungen: Zerlegung - Zerlegung (Modularisierung) der Gesamtaufgabe in kleine, überschaubare Teilbereiche, soweit isoliert voneinander betrachtbar Teilbereich 1 Teilbereich 2 Teilbereich 3 - Strukturierung (Organisation) durch geeignete Anordnung von Systemelementen, z.B. Hierarchische Gliederung in der Prozessautomation mit Beschreibung der Beziehungen untereinander (Befehle / Rückmeld.) Hierarchische Gliederung Aggregat 1 Aggregat 2 Aggregat 3 Gruppe 1 Gruppe 2 Bereich - Realisierung: down-up: 1. Übernahme der Sensoren aus dem R&I-Schema als „Objekte“ für Prozess- Variable 2. abbilden der Aktoren aus dem R&I-Schema auf Standard- „Antriebssteuerungen“ 3. Planung der überge- ordneten Funktionen LCI CA5BL1 NC CA5GP1 AL ASLL UY CA1KF2   Gruppen- Steuerung Antriebs- Steuerung  Beispiel: Motion Control Realisierung durch: Standard- Funktions- Bausteine Individuelle Logik R&I- Fließschema Standard- Funktions- Bausteine Para- meter wählen

23 Horizontale Strukturierung: „SW-Agenten“, Prinzip
Entwurfs- Strategien Leittechnik Horizontale Strukturierung: „SW-Agenten“, Prinzip „Leitrechner“ Dezentrale, autarke Teilsysteme in der Fertigungsautomation Erkennung und Verteilung Einsatzplanung Zielvorgaben Rückmeldungen - Mit eigenen I/Os, - Kommunizieren untereinander Entscheiden selbstständig anhand Zielvorgaben vom „Leitrechner“ („SW- Agenten“) Zuteilung Zelle 1 Zuteilung Zelle 2 Zelle 1 Zelle 2 August 2014

24 Entwurf übergeordneter Abläufe
Entwurfs- Strategien Leittechnik Entwurf übergeordneter Abläufe Petri - Netz (Zustandsgraphen) Programmablauf mit Funktionsplan DIN : zurückgezogen! mit Grafcet nach DIN Ggf. mit Grob- u. Feinablauf EIN AUS Zustand 3 Bereit „Stelle“ „Kante“ „Transition“ Zustand 2 Zustand 1 Schritt (Befehl) Transition (Weiterschalt- Bedingung) Parallele Befehls- Ketten S0 START S1 B1 S2 A2:=1 1s/A1 T1 T2 Für Details: Signal-Zeit-Diagramm t A B C identisch kompatibel nicht kompat. Realisierung: mit / ohne Antriebssteuerung Ablaufsteuerung, gemäß SPS – Norm, lauffähig A & B Ablaufsteuerung, gemäß GRAFCET – Norm, lauffähig (erste Editoren) S1 1s/A1 A & B Aggregat 1 Antr.- Steuerg. A & B R S Q oder mit Standard - Funktionsbausteinen „Schritt“ (und Logik pro Schritt) in Funktionsbausteinsprache August 2016

25 Gliederung: Objekt-orientierte Leittechnik-Planung
Automationssysteme, Engineering Gliederung: Objekt-orientierte Leittechnik-Planung 1. Engineeringphasen, Anforderungen 2. Verfahrenstechnische Planung 3. Anlagenplanung - mechanische, elektrische, leittechnische Anlagenplanung 4. Entwurfsstrategien in der Leittechnik- Planung - vertikale / horizontale Strukturierung, - Petri-Netze, Ablaufplan 5. Objekt- orientierte Leittechnik- Planung - Klassen, Instanzen, - Ziele - “Aspect Objects” (ABB) 6. SW- Agenten, “Industrie 4.0” 7. Handhabung der “Wiederholtechnik” - Modelle, UML - Auswahlhilfe durch Engineeringtool (ABB Reuse Assistant) 9. Modularisierung - „DIMA“: Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen 9. Feldbus - Integration - GSD - EDD - FDT / DTM - FDI

26 Anwendung Klassen / Instanzen
Objekt - orientiertes Engineering: Anwendung Klassen / Instanzen Beispiele: Mess- Umf. = I/O - Kanal # Grenz- Sign., Überw. Komm. Analoge Messung mit Rem. - I/O, „HART“-Gerät allgemein Grenz- Sign., Überw. # Analoge Messung mit Bus- Messumf. allgemein Mess- Umf. Feld- bus Komm. Abstrakte Klasse: - definiert Gemeinsam- keiten von Klassen (Attribue, Verhalten), - nicht zur Instanziierung von Objekten verwendbar ( „Vererbung“: - Funktionalität, - Struktur) Mess- Umf. = I/O - Kanal # Grenz- Sign., Überw. P Typ .. Überw.- Param. Komm. ... mit be- stimmten Geräten, für Druck Mess- Umf. = I/O - Kanal # Grenz- Sign., Überw. L Typ .. ... mit be- stimmten Geräten, für Niveau Überw.- Param. Komm. Klasse: - definiert Gemeinsam- keiten von Objekten, - dient zur Bildung von Objekten (instanziierte Klassen) mit ggf. unterschiedlichen Attribut - Werten mit „Vererbung“ von Klassen-Eigenschaften Klassen - Anwendung Klassenbildung durch Verallgemeinerung („Vererbung“ zusätzlich: - Überwachungs-Parameter, - Gerätetypen) Mess- Umf. = I/O - Kanal # Grenz- Sign., Überw. P Typ .., Messung ..P1 Typ .. Einbauplatz, Überw.-Parameter, Grenzwerte Komm. Objekt (Instanz): Anwendung einer Klasse für 1 „Objekt“ mit: - Identität, - Zustand (tempor. Attrib.Werte) - Verhalten - Beziehungen zu anderen Objekten .. Für bestimmte Prozess- Messung

27 Objekt - orientiertes Engineering: Ziele
- Zyklische Entwicklung zulassen - Schrittweise Verfeinerung, - Beziehungen zwischen Modellelementen - Abstraktion in „natürlicher Weise“ ermöglichen - Vereinfachte Darstellung der Realität - Erleichtert Kommunikation mit dem Anwender - Kleine Einheiten (Klassen) definieren, Modularisierung - mit geringen Abhängigkeiten zu anderen Systemteilen, - Datenkapselung, „Geheimnisprinzip“ - Wiederverwendbarkeit verbessern - Klassenbegriff, Vererbung, Bibliotheken, - Tools zur Dialog - geführten Objekt - Auswahl - Steigerung von - Produktivität, - Qualität, - Plan- und Kontrollierbarkeit - Verringerung von - Entwicklungszeit, - Entwicklungskosten, - Risiken

28 Objekt - orientiertes Engineering: „Aspect Object“ (ABB)
Jedes Objekt - Modell besteht aus integrierten - aber unabhängigen - Software - Systemen, die alle Informationen über das reale Objekt speichern, verwalten und präsentieren

29 Objekt - orientiertes Engineering: „IT Plattform“ (ABB)
Workplaces Be- dien- ung Sta- tistik Wart- ung Engi- neer- ing Anwendungen MS Office IT - Plattform Betriebssystem WINDOWS uP Fest- Platte Schn.- stellen

30 Agenten-basiertes Engineering
Automationssysteme, Engineering Agenten-basiertes Engineering 1. Engineeringphasen, Anforderungen 2. Verfahrenstechnische Planung 3. Anlagenplanung - mechanische, elektrische, leittechnische Anlagenplanung 4. Entwurfsstrategien in der Leittechnik- Planung - vertikale / horizontale Strukturierung, - Petri-Netze, Ablaufplan 5. Objekt- orientierte Leittechnik- Planung - Klassen, Instanzen, - Ziele - “Aspect Objects” (ABB) 6. SW- Agenten, “Industrie 4.0” 7. Handhabung der “Wiederholtechnik” - Modelle, UML - Auswahlhilfe durch Engineeringtool (ABB Reuse Assistant) 8. Modularisierung - „DIMA“: Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen 9. Feldbus - Integration - GSD - EDD - FDT / DTM - FDI

31 SW – Agenten, Definition
Agenten / Industrie 4.0: SW – Agenten, Definition Agenten – orientierte SW – Entwicklung: Beschreibung eines SW – Systems durch Zusammenwirken komplex interagierender, autonomer SW – Einheiten (Agenten) Zusammenfassung von Zustand und Verhalten Kapselung Agent: hier: abgegrenzte SW – Einheit mit definiertem Ziel, verwendet zu dessen Erreichung: - autonomes Verhalten, - Kontinuierliche Interaktion mit Umgebung und anderen Agenten Autonomie Agent Zielorientierung Interaktion Reaktivität / Proaktivität Eigeninitiative (zielgerichtet / voraus- schauend handlen ohne äußeren Einfluss) Umwelt wahrnehmen, reagieren Persistenz Anwendung: für Systeme mit - logischer Aufgabenverteilung, - strukturellen Änderungen zur Laufzeit, - komplexen Abläufen / Verhalten, - umfangreichen Kommunikations- und Koordinierungsprozessen insbesondere bei: - Entscheidungsalternativen in der Anlage Fortlaufende Wrkungsweise, Unabhängig von Externer Aktivierung (Bild aus Skript „Steuerung“)

32 SW – Agenten, Einsatzbeispiel
Agenten / Industrie 4.0: SW – Agenten, Einsatzbeispiel Agentenorientierte SW – Erstellung: konsequente Fortsetzung der Entwicklung: - Zunehmende Verschiebung von Lösungs - bezogener Erstellung (direkte SPS-Programmierung) zur Problembezogenheit - Zunehmende Lokalisierung und Kapselung (funktional, passend zur HW – Entwicklung) Wo wird bestimmt (für eine SW-Eineit): Monolithisches Programm Strukturiertes Objektorientierte Programme Agentenorientierte Verhalten: extern intern intern intern Zustand: extern extern intern intern Ablauf: extern extern extern intern (Ziel), (wann, warum) (Aufruf) (Nachricht) extern (Anfrage) Einsatzbeispiel: Fertigungstechnik Produktionsziele Aufteilung Werkstück - Agent Lokale Ziele Ausführung Überwachung Stations - Agent Lokale Ziele Ausführung Überwachung Transport - Agent Lokale Ziele Ausführung Überwachung Stations - Agent Lokale Ziele Ausführung Überwachung Werkstück – Agent: Kennt: nötige Bearbeitungsschritte mögliche Reihenfolgen Ziel: schnelle Bearbeitung Produktionsstations-Agent: Lokales Wissen über Bearbeitungsgänge, Kapazitäten, Auslastung der Station Ziel: hoher Auslastungsgrad Transporteinheiten – Agent: Bieten: Wege zwischen Produktionsstationen, Ziel: hohe Auslastung der Stationen

33 „Industrie 4.0“ Struktur in der Fertigung
Agenten / Industrie 4.0: „Industrie 4.0“ Struktur in der Fertigung Industrie 4.0 ( mit „Internet der Dinge“) Messe-Beispiel 2014: Ziele: ● Individualisierung der Produktion: Produktion ab Losgröße 1 unter Bedingungen einer hochflexiblen Großserienproduktion Bearbeitungs-Programme (auch in Cloud)  Anforderungen /  Bearbeitungs-Programme ● Bessere Unterstützung des Menschen durch Selbstkofiguration, Selbstdiagnose, Selbstoptimierung, Kognition (erkennen, erfahren) ● Steigerung der Effizienz Leitrechner (Auftragsplanung) ohne Prozess-Modell! Realisierung: „Smart Factory“: ● Dezentrale, autonome Einheiten die ihr Umfeld erfassen und darauf reagieren Rückmeldungen - Sensoren und Aktoren bieten Ihre Dienste an, Die Produkte fordern sie an Auftrags- Spezifikation Produkt- „Gedächtnis“ Träger Rohling- Lager Zuteilung Transport- System Positionierung Bearbeitung 1 Produkt Bearbeitung 2 Dienste-Anforderungen Erfahrungsaustausch Die Produkte sind eindeutig identifizierbar, lokalisierbar Die Produkte kennen ihre Historie, ihren aktuellen Zustand, und alternative Wege zum Zielzustand ● Vertikale und horizontale Vernetzung Virtuelles Abbild der Produktion durch Infos von Maschinen und Produkten „Social Machines“ erlernen die besten Parameter und tauschen sie aus Kommunikation mit an- deren Einh. per Cloud Quelle: z.B. Wikipedia 2014, Derzeitige Probleme: -> Abschl.Bericht August 2014

34 Industrie 4.0: IKT: Agenten / Industrie 4.0: Planungsebene
Enterprise Ressource Planning Produktionsleitebene Manufactoring Execution Syst. Steuerebene SPS, PLS Feldebene Field Control Level Bisherige IKT-Struktur: (Informations- und Komm.-Technik) - hierarchisch, oft proprietär (d.h. Unternehmens-spezifisch) - optimiert hinsichtlich Kosten und Effizienz -> firmenübergreifende Vernetzung, Flexibilität nur durch aufwändige manuelle Umstellungen möglich Industrie 4.0: Kooperierendes, dezentrales Netzwerk von Fertigungseinrichtungen verschiedener Firmen Erforderlich: -> statische und dynamische Modelle -> angrenzende / überlappende Prozesse integrieren (Logistik, Diagnose, Qual.Sicherung, Instandhaltung, Mitarbeiterressourcen) (Quelle: Beigl, KIT) August 2014

35 „Industrie 4.0“ Struktur in der Prozessautomation
Agenten / Industrie 4.0: Agenten / Industrie 4.0: „Industrie 4.0“ Struktur in der Prozessautomation Ziele: - bessere Diagnose durch mehr Information (-> Verfügbarkeit), Optimierung - schnellere Planung (neu u. bei Produktechsel -> „Digitale Anlage“, -> Modularisierung Situation: „Geschlossene“ Automatisierungs-Pyramide verhindert Datenaustausch für neue Technologien NAMUR-Ansatz: Öffnung der „NAMUR – Pyramide“ für Industrie 4.0: Lösung: NAMUR Open Architecture (NOA) Anwendung: wirtschaftl. Monitoring and Optimization (M+O) über „2. Kanal“ durch: Erweiterung bestehender Automatisierungsstrukturen zur flexiblen Umsetzung von Ind. 4.0 in der Prozessindustrie Feldebene Basis - Automatisierung Betriebsführung Unter- nehmens- führung A S Anforderungen: - Eignung für Neu- und Bestandsanlagen, - optional und additiv anwendbar, Schnittstelle NOA: NAMUR Open Architecture für M+O - aufgesetzt auf bestehende Standards, - Verfügbarkeit / Sicherheit nicht einschränken, sicher - schnelle, kostengünstige Implementierung, - andockbar an alle Ebenen Int.S offen Int. A Stand: Demonstrationsanlagen laufen seit 2016 S Zusätzliche M+O-Sensoren Intell. /„normale“ Sensoren Intell. /„normale“ Aktoren „2. Komm.- Kanal“ Quelle: Dipl.Ing. Christian Klettner, Dr. Michael Krause in atp plus September 2017

36 Internet of Things: erweiterte Diagnose
Agenten / Industrie 4.0: Internet of Things: erweiterte Diagnose Geräte – Diagnosedaten parallel zu Prozessdaten z.B. über „smart bridge“ von Pepperl & Fuchs „smart Sensor“ von ABB Remote Condition Monitoring für Niederspannungs-Motoren Direkte Verbindung mit Wartungspersonal oder Auswertegeräten in gleicher oder höherer Hierarchieebene (ERP / MES) IO-Link-fähige Sensoren / Aktoren auch nachträglich aufmontiert, App für Smart bridge: ● Anzeige von - Proz.Signalen, - Gerätedaten, ● Diagnose ● Schreiben von Hist.Daten (integr. Speicherkarte) ● überträgt drahtlos über Smartphone / Gateway an Cloud-basierten sicheren Server die wichtigsten Motor-Parameter für vorausschauende Wartung, ● meldet Wartungsbedarf IO-Link-Bloetooth-Interface in der IO-Link-Verbindung zwischen IO-Link-Sensor / Aktor und PLC Und als eigenständiger „Sender“ Pumpen-Überwachung (IO-Link- Device Description IODD) von KSB zur Kontrolle der Effizienz September 2017 August 2016

37 Big Data Agenten / Industrie 4.0: Auswertung: Verständnis Weisheit:
Daten: unverarbeitet, roh: ohne Aussage Relationen bilden Informationen: bekannte Bedeutung über relationale Verbindungen Wissen: Muster suchen Informationssammlung für bestimmte Muster Prinzipien ableiten Weisheit: Prinzipien kennen Verknüpfung Optimale Abläufe, Übergänge Apfel fällt senkrecht Äpfel fallen Gilt überall, für jeden Baum (u.a.) Schwerkraft- Gesetze „Newton und der Apfelbaum“ Verhalten z.B. bei An- / Abfahren Zugeordnet zu Teilanlagen und Betriebszuständen Alle Prozesswerte über Zeit Konzentrat Prozesswert- Historie Vergleich und Prognose Trainiertes Neuronales Netz Hinweise an Operator „Big Data“ Auswertung: September 2017

38 Anwendungsfälle Industrie 4.0
Agenten / Industrie 4.0: Anwendungsfälle Industrie 4.0 Resiliente Fabrik (Adaptivität, Dezentralität, Lernfähigkeit: Festo) (sicher gegen Störungen) Problem: breites Produktspektrum mit kundenspezifischen Merkmalen bei saisonaler Nachfrage produzieren Lösung: situative Anpassung der Produktionslinie Technologiedaten-Marktplatz (Trumpf) Problem: Lasermaschine besitzt nicht die notwendigen Technologiedaten, manuelle Optimierung zu teuer Lösung: Zugriff auf interne und externes know-how Intelligentes Instandhaltungskonzept (WBK) Problem: ungeplante Maschinenstillstände können weit teurer sein als Wartung / Reparatur Lösung: - intelligente Sensoren melden rechtzeitig Wart.Bedarf - adaptive Produktionssteuerung findet Ausweichlinie Selbstorganisierende Logistik (Daimler) Problem: variantenreiche, vernetzte Produktion macht Engpässe und Belieferungsfehler wahrscheinlicher Lösung: CP-Systeme machen Material- und Teilebewegung trans- parent, erlauben dynamische Intralogistik-Steuerung Kundenintegrierendes Engineering (IPA) Problem: immer weiter reichende Kundenanforderungen an Termine, nachträgliche Änderungen Lösung: Synchronisation durch Integration des Kunden Nachhaltigkeit durch Up-Cycling (IPA) Problem: seltene Rohstoffe machen großen Preisanteil aus Lösung: Produkt bleibt Herstellereigentum, im Produkt abge- speicherte Daten ermöglichen Aktualisierung und Wiederverwendung bzw. gezieltes Recycling August 2014

39 Erwartungen an „Internet of Things“
Agenten / Industrie 4.0: Erwartungen an „Internet of Things“ Vorteile „Internet der Dinge“ gegenüber Internet Zustimmung in Unternehmen Kostenreduktion: 20 % Neue Geschäftsmodelle: 68 % Bessere Ressourcennutzung: 30 % Höhere Lebensqualität: 19 % Erhöhte Transparenz: 28 % Neue Produkte und Systeme: 59 % Effizienzsteigerungen: 50 % Enge Vernetzung Kunden - Unternehmen 45 % August 2016

40 Kernaussagen Industrie 4.0
Agenten / Industrie 4.0: Kernaussagen Industrie 4.0 Facit Industrie 4.0: ● Cyber-Pysical Systems ► Anwendung in der produzierenden Industrie durchgängige Betrachtung: modelltechnisch, architekturell, kommunikationstechnisch, interaktionsmäßig Produkt, Produktionsmittel, -System Sich ändernde Prozesse Cyber-Physical Production Systems (CPPS) für smarte Produktionssysteme ● langfristig: Wissensmodelle notwendig: - über ganzen Produktlebensyklus - interdisziplinär incl. Automation ► für kreativen, maschinellen, Mensch-zentrierten Info-Austausch ● extrem hohe Anforderungen an Wissen und Arbeitsvermögen durch - sich ständig veränderndes Arbeitsumfeld - komplexere Werkzeuge und Assistenzsysteme Kernaussage: Mit CPPS Wertschöpfungs – Netzwerke realisieren Produktion Logistik Engineering Vermarktung Kundenanforderungen Dienstleistungen August 2014

41 Handhabung Wiederholtechnik
Automationssysteme, Engineering Handhabung Wiederholtechnik 1. Engineeringphasen, Anforderungen 2. Verfahrenstechnische Planung 3. Anlagenplanung - mechanische, elektrische, leittechnische Anlagenplanung 4. Entwurfsstrategien in der Leittechnik- Planung - vertikale / horizontale Strukturierung, - Petri-Netze, Ablaufplan 5. Objekt- orientierte Leittechnik- Planung - Klassen, Instanzen, - Ziele - “Aspect Objects” (ABB) 6. SW- Agenten, “Industrie 4.0” 7. Handhabung der “Wiederholtechnik” - Modelle, UML - Auswahlhilfe durch Engineeringtool (ABB Reuse Assistant) 8. Modularisierung - „DIMA“: Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen 9. Feldbus - Integration - GSD - EDD - FDT / DTM - FDI

42 Vielfalt der Modellwelten
Wiederholtechnik: Vielfalt der Modellwelten Verfahrens- Leit- Gebäude Rohr- technische technische leitungen Modellwelt Modellwelt P&I- Diagr. Fa. X FUP- Syst. Fa. Y CAD- Fa. Z Rohr- Leit.- Reale Anlage Modellwelten Definitionen: Modell: allg.: idealisierte, vereinfachte Darstellung eines Gegenstandes, Systems, Weltausschnitts hier: Summe der Daten zur Beschreibung einer realen Anlage (Informationsbasis) Modellwelt: Beschreibung der Eigenschaften und Strukturen eines realen Systems, z.B. einer techn. Anlage (hier: bezogen auf eine Sicht)

43 Funktionsbausteine (IEC 61131-3) und UML
Wiederholtechnik: Funktionsbausteine (IEC ) und UML IEC Funktionsbausteine UML Beispiel: allgemein: Begriffe: RS S A R FF1 FF2 S Q Funktionsbaustein- Typ Anwendung (Instanziierung) Instanzen Klasse Instanziierung Objekt Graphische Abbildung in UML, - allgemein: Funkt.Baust.-Diagramm FB Verbindungen Funktionsbaustein- Diagramm FB - Instanzen Datenfluss enthält: Objekt - Diagramm Modulinstanz Verbindungsinstanz enthält: - für Typ: (Klasse) RS S A R Funktionsbausteindiagramm: Port <bool, Senke> S RS Name:(String) R Q Port <bool, Quelle> UML - Klassendiagramm: „Parameter“ RS S A R FF1 AND TasteEin Funktionsbausteindiagramm: - für Beispiel- Anwendung: (Ojekte) S FF1:RS Name: „M_Ein“ R Q V AND1:AND Name=„Sperre“ :Verbindung A :Signalpunkt <Quelle,bool> symbol = „Taste_Ein“ UML - Objektdiagramm: mit Elementen der UML (symbolisiert Übergang zu nicht modellierten Anlagenteil, hier: Peripherie)

44 UML als Funktionalitätsbeschreibung für „Wiederholtechnik“
UML (Unified Modeling Language):  ist Standardsprache für Visualisierung, Spezifikation, Konstruktion und Dokumentation komplexer Softwaresysteme.  ist Prozess- und Technologie-unabhängig und im gesamten Entwicklungszyklus einsetzbar.  kombiniert Konzepte aus Objektorientierter Modellierung, Datenmodellierung (Entity Relationship Diagrams), Business-Modellierung (work flow), Component Modeling, Behavior Modeling, ...  ist eine Notation/Sprache, keine Methode,  abstrahiert von – architekturellen Vorgaben, – Design- und Implementierungs-Styles, – Technologien (Software, Hardware, Infrastrukturen, ...), – Entwicklungsprozessen  standardisiert – Begriffswelt (Modellierungskonzepte), – Semantik (Bedeutung der Modellierungskonzepte), – visuelle Darstellung (Notation der Modellierungskonzepte),  führt Ideen verschiedener Techniken zusammen: – Booch, OMT, Jacobsson, ROOM, SDL, EDOC, MSC, Component Based Modeling, ... Nutzen/Ziele des UML-Einsatzes:  Blueprint für die Softwareentwicklung, Hilft Nutzern, Entwicklern und Kunden bei der Kommunikation – Anforderungen, Designvorgaben, Deployment-Constraints etc. mittels UML-Modellen festlegbar  Bietet Konzepte zur nachvollziehbaren Modellierung (“Tracebility”) – vom initialen Geschäftsmodell bis zum einsetzbaren System  Zentrale Bibliothek für Wissen und Erfahrungen in Form von Modellen (Wiederverwendbarkeit)  Verbesserung der Softwarequalität  Langfristige Kostenreduzierung  Flexibilität für schnelle techn. und geschäftl. Änderungen aufgrund der Anwendbarkeit im gesamten Entwicklungsprozess  Große und komplexe Softwaresysteme erfordern sorgfältiges Design UML - Historie: erste Entwicklungen 1994 / 95, seit 1997 Weiterentwicklung in der OMG (Open Management Group) als „RFP“ (Request for Proposals), seit Mai 2003 aktuelle Version: 2.0 (nach Fraunhofer FOKUS und Humboldt Universität zu Berlin, 2003)

45 Tool - unterstützte Wiederholtechnik (ABB)
Objekt-Typen (Klassen) Objekt - Bibliothek Verfahrens- u. leittechnisches Know-how Engineering- Verfahren Bedien - Dialog Fragen / Antworten Engineering -Tool Klassen- Auswahl Instanziierung Objekte Know-how - bas. Vorschläge und Plaus.-Prüfung Anlagen - Anforderungen Deterministische Erstellung der Strukturen Fragen / Antworten Beziehungen (Verbindungen) Erstellung der Steuerungs - Programme

46 1. Engineeringphasen, Anforderungen
Automationssysteme, Engineering Modularisierung 1. Engineeringphasen, Anforderungen 2. Verfahrenstechnische Planung 3. Anlagenplanung - mechanische, elektrische, leittechnische Anlagenplanung 4. Entwurfsstrategien in der Leittechnik- Planung - vertikale / horizontale Strukturierung, - Petri-Netze, Ablaufplan 5. Objekt- orientierte Leittechnik- Planung - Klassen, Instanzen, - Ziele - “Aspect Objects” (ABB) 6. SW- Agenten, “Industrie 4.0” 7. Handhabung der “Wiederholtechnik” - Modelle, UML - Auswahlhilfe durch Engineeringtool (ABB Reuse Assistant) 8. Modularisierung - „DIMA“: Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen 9. Feldbus - Integration - GSD - EDD - FDT / DTM - FDI

47 Prinzip Modularisierung: Prozess- Führungs-Ebene
OPC UA Client Prozessführung HMI …. Prozess- Führungs-Ebene Hersteller-unabhängige Schnittstellen Modul - Leittechnik Konzentrat Verfahrenstechnische Module HW: - Projekt-unabhänging vorgefertigt, - z.B. mobil Beispiel: Aufarbeitung von Gerberei-Abfällen (Bild: INVITE GmbH) September 2017

48 Herkömmliche Anlagenstruktur
Modularisierung: Herkömmliche Anlagenstruktur HMI Verarbeitung Hierarchisch gegliedert, Ojekt- orientiert Ein-/Ausgabe Sensoren / Aktoren # Leittechnik Verfahrenstechnik „Destillation“ „Filter“ „Abfüllen“ 24 Kühl- wasser 13 Konzentrat 1 Dampf Rückstand Dezember 2015

49 Fa. WAGO: „DIMA“ (Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen)
Modularisierung: Fa. WAGO: „DIMA“ (Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen) Übergeordnete Prozessleittechnik „Prozessführungsebene“ laden standardisierte Schnittstellen # # # Dezentrale Modul-Leittechnik: „Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen“ HMI Verarbeitung Ein-/Ausgabe Sensoren / Aktoren Leittechnik MTP Verfahrenstechnik Modul „Destillation“ Modul „Filter“ Modul „Abfüllen“ Module Type Package: Unterteilung in „Module“: Verschiedene Fabrikate, auswechselbar Wiederhol- technik 24 Kühl- wasser Beschreibung Verfahrens- Technischer Anlagen- Module incl. Leittechnik 13 Konzentrat 1 Dampf Rückstand Dezember 2015

50 DIMA - Fakten Modularisierung: MTP Anstoss: NAMUR-Arbeitskreis 2013
# Modul DIMA (Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen Entwicklung: Fa. WAGO bis 2014 (offen für andere) Weiterführung: NAMUR, ZVEI, GMA Frühj (Ergänzung Spez.) Internationale Normung: 2017 Herzstück: MTP (Module Type Package) Neue Definition der Beschreibung verfahrenstechnischer Anlagenteile incl. Leittechnik: - OPC-Node-Bezeichnungen für Bedienbilder und Dienste Genutzte Zustände gemäß Zustands-Übergangsmodell DIN EN 61512 durch Zustands-basierte Prozesssteuerung NAMUR / ZVEI – Arbeitskreise MTP - HMI: - generisches, Zielsystem-unabhängiges Modul-Bedienbild - Bedienbildelemente mit vereinheitlichter Schnittstelle - Alarmmanagement - Diagnose / Maintenance Vorteile: - Hohe Unabhängigkeit Modulhersteller – Anlagenbauer: Modulproduktion „auf Vorrat“, Anlagen-spezifische Generierung des MTP individuelle Dienst-Freigabe - Effektive Entwicklung durch wiederholten Einsatz - Leichte Systemintegration durch Laden des MTP in übergeordnetes System - Flexibilität für Marktanforderungen durch schnelles Um- / Nachrüsten - Realer Baustein für Industrie Anforderungen Handhabung z.B. bei WAGO: „ e! COCKPIT “ durchgängiges Engineeringtool, Basis: CoDeSys September 2017

51 „Smarte Sensoren“ Modularisierung: Bisher: spezialisierte Einzelgeräte
Industrie 4.0: intelligente übergreifende Module „Internet der Dinge“ Hersteller 1: SPS, PLS PLC CPU L I # U CPU Hersteller 2: Interface # # I U Ein Hersteller: „smarter Sensor“ z.B. intelligentes messtechnisches Modul „Abfüllanlage“ Betreiber Betreiber Hersteller 3: Messgeräte (Messumformer) I L Hersteller 4: Abfüllanlage → Neue Mess-Methoden (durch Mikroelektrotechnik) + Vernetzung und dezentrale Intelligenz (Gemäß Hauptvortrag bei NAMUR-Hauptsitzung 2016 von Fa. Krohne (Prozess - Messtechnik)

52 OPC UA Modularisierung: OPC UA: - Aufgabe: - Nutzen: - Stand:
= Open Platform Communication, Unified Architecture industrielles M2M – Framework (Maschine zu Maschine) transportiert und beschreibt semantisch Maschinendaten (Werte, Parameter usw.) -> der „USB-Stecker für Industrie 4.0 – Geräte“ - Aufgabe: Austausch von Informationen und Daten verschiedener Geräte verschiedener Hersteller aus verschiedener Branchen - Nutzen: ● einfache Geräte-Integration in ein IT-Umfeld ohne Kenntnis interner Details ● integriertes Sicherheits-Konzept ● Hohe Daten-Durchlässigkeit (Sensor bis zum Unternehmens-Server) OPC UA Client – Funktionsbausteine Damit können Controller: horizontal: komplexe Datenstrukturen austauschen vertikal: Methoden im MES/ERP - Server aufrufen (z.B. um neuen Auftrag anzufordern oder Daten in die Cloud zu schreiben) ● einfach skalierbar nachrüstbar - Stand: ist praktisch Standard (IEC ) [Quellen: „Jetzt geht es erst richtig los“, Stefan Hoppe (OPC Foundation), in atp+ 2017/1 und OPC-Broschüre]

53 Gliederung: Feldbus-Integration
Automationssysteme, Engineering Gliederung: Feldbus-Integration 1. Engineeringphasen, Anforderungen 2. Verfahrenstechnische Planung 3. Anlagenplanung - mechanische, elektrische, leittechnische Anlagenplanung 4. Entwurfsstrategien in der Leittechnik- Planung - vertikale / horizontale Strukturierung, - Petri-Netze, Ablaufplan 5. Objekt- orientierte Leittechnik- Planung - Klassen, Instanzen, - Ziele - “Aspect Objects” (ABB) 6. SW- Agenten, “Industrie 4.0” 7. Handhabung der “Wiederholtechnik” - Modelle, UML - Auswahlhilfe durch Engineeringtool (ABB Reuse Assistant) 8. Modularisierung - „DIMA“: Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen 9. Feldbus - Integration - GSD - EDD - FDT / DTM - FDI

54 Feldbus - Integration: Verfahren
Engineeringsystem FDI (Field Device Integration) Entwicklung: FDI Cooperation (Spezifikationen: Ende 2012) Technologie- Unabhängige Schnittstelle für Gerätedaten Über gesamten Lebenszyklus User Interface EDD Interpreter Device package Konfiguration Azyklische Gerätebedienung (Parametrierung, ...) EDD EDD - Interpreter GSD DTM Netz - Konfigurator FDT - Interface Zyklische Prozessdaten -Abfrage GSD Netz - Konfigurator GSD Netz - Konfigurator FDT (Field Device Tool) - Software („Treiber“) für Device Type Manager - zur Beschreibung von Applikationsfunktionen (Geräteparameter) - für Feldgeräte höherer Komplexität Funktionalität EDD (Electronic Device Description) - Textdatei - zur Beschreibung von Applikationsfunktionen (Geräteparameter) - für Feldgeräte mittlerer Komplexität Pflege: EDD Cooperation Team GSD (Geräte - Stamm - Datei) - Textdatei - zur Beschreibung von Kommunikationsfunktionen - für einfache Feldgeräte Pflege: FDT-Group Markteinführung August 2014

55 Feldbus - Integration: GSD - Beispiel
;======================================== ; GSD-File for ET 200S Siemens AG ; MLFB : 6ES AB02-0AB0 ; ; Date : V RG, GW ; ; File : "SI02806B.GSG" #Profibus_DP ; <Prm-Text-Def-List> PrmText = 1 Text(0) = "sperren" Text(1) = "freigeben" EndPrmText PrmText = 2 Text(0) = "0,1 ms" Text(1) = "0,5 ms" Text(2) = "3 ms" Text(3) = "15 ms" PrmText = 3 Text(0) = "Ersatzwert schalten" Text(1) = "Letzten Wert halten" ...... Vom Hersteller bereitgestelltes textuelles Datenblatt, enthält: - Kenndaten des Gerätes - Angaben zu seinen Kommunikationsfähigkeiten (für den zyklischen Datenaustausch) - Diagnosedaten Einzubinden in das Engineeringtool Für den zyklischen Austausch von Prozessdaten reicht die GSD aus.

56 Feldbus - Integration: EDDL
Beschreibung der Benutzeroberfläche - Gestaltung mit Hilfe von Menübefehlen, - Hierarchien aus Parametern, Dialogen, Menüs Beschreibung der Daten Gerätevariable und Variable für zusätzliche Informationen mit Datentypen für numerische Gleit- und Festpunktzahlen, Aufzählungen, Byte- und Bitfelder, Datum, Zeit, Texte usw. EDDL - Elemente COLLECTION, BLOCK, ARRAY, ITEM_ARRAY, RECORD zur Abbildung des Gerätemodells und der Strukturierung der Daten Beschreibung der Kommunikation Kommunikationsaufträge, Fehlerbehandlung und Fehlertexte, Reihenfolgen, zeitl. Verhalten. (Die EDD - Applikation stellt die Kommunikationswege zur Verfügung, z.B. zu HART - Geräten über Remote I/O )

57 Feldbus - Integration: FDT / EDDL
Engineering System, benutzt: DTM-Bedienoberfläche EDD Electronic Device Description EDD - Interpreter Bedienoberfläche aus EDD generiert Geräte - Programm Diagnose, Parametrierung, Optimierung Geräte-Hersteller Leitsystem- Hersteller Offene SW- Schnittstelle für die DTM - Anwendung FDT - Interface (Field Device Tool) Betriebssystem- Kompatibilität! Bedien- Programm pro Gerät, viele Gestalt.- Möglichkeiten, (komplexe Ger.) DTM (Device Type Manager) Text - Datei als standardisierte (offene) Geräte - Beschreibungen für Engineering, Inbetriebsetzung, Asset Management, Dokumentation, E-Commerce, leicht und billig erstellbar / änderbar, Betr.Syst.-unabh. Diagnose, Parametrierung, Optimierung Individuelle Geräte- eigenschaften (Feld-) Geräte Geräte - Programm E D D L Electronic Device Description Language: 90er-Jahre: DDL zur Bedienung von HART-Geräten, Geräte-Hersteller liefert DD pro Gerät (relev. Infos). Ab 1998 „EDDL“, in 2000: IEC durch HART, Fieldbus Foundation, PROFIBUS Nutzer-Org. Auslieferung als Textdatei, zur Nutzung im Eng.Syst. Interpretiert, dadurch Generierung der Benutzeroberfläche, einheitliches „Look and Feel“ über Gerätehersteller und -Familien hinweg. F D T Field Device Tool: in 2000 vom ZVEI, dann von PNO übernommene Schnittstellenspez. zur Integration von Feldgeräten. Dazu: DTM (Device Type Manager) pro Gerät, vergleichbar mit Druckertreiber -> einheitliches Verhalten in versch. Eng.-Systemen, geplant für HART- und PROFIBUS -DP/ -PA -Geräte Seit 2006 auch mit Grafik (Fenster, Bilder, Trends, ..),IEC

58 Feldbus - Integration: DTM/FDT über PACTware
Offene, kostenlose SW des PACTware – Consortioums e.V. Hersteller- und Feldbus- unabhängige Schnittstelle Zur Bedienung von Feldgeräten Zentrale Engineering- Station SPS / PLS Benutzt FDT- Schnittstellendefinition PROFIBUS DP, Ethernet, … Feldgerät bringt Daten und Funktionen als DTM mit Segmentkoppler Remote I/O Anwendungen: Konfiguration des Gesamtsystems DTM Feldbus HART- Kommunikation - Parametrierung der Geräte Feldbus- Gerät - Simulation von Prozesswerten - Diagnose einschließlich Aufzeichnung - Dokumentation  Systemkonfiguration,  eingestellte Werte  Gerätedaten (im DTM!) Vor-Ort- Bedienung (Im Feld) „Plug & Play“: Geräteparameter sind zentral gespeichert, können bei Gerätetausch (auch anderes Fabrikat) geladen werden!

59 FDI Feldbus - Integration: FDI (Field Device Integration)
wird gepflegt von der FDI Cooperation LLC besteht aus:: (Limited Liability Company) FDI Host Ein Feldgerät wird beschrieben durch ein Device Package, basierend auf EDD (IEC 61804) FDI Client UI Engine EDD FDI Device Package verwendbar OPC UA Services EDDL- codiertes File UIP Attachments FDI Server User Interface Plug-in (optional) Manuals, Certificates, Protokoll-Spez. (GSD/CFF/ML) Information Model DEF BL UID Import, keine Installation! EDD Engine Handhabung: kompatibel zu FDT2 EDDL: Electronic Device Description Language DEF: Definition: Allg. Gerätedaten, interne Struktur BL: Business Logic: aktualisiert Gerätedaten, z.B. bei Gerätetausch UID: User Interface Description, obligatorisch, ermöglicht die Geräte-Bedienung UIP: Möglichkeit der freien Anwender-Programmierung (wie bei FDT) FDT2 Frame Appliaction FDT / FDI Host FDI DTM UI Engine DTM Business Logic Information Model EDD Engine Anwender- Anforderungen: Beschrieben in NAMUR NE105 und Ergänzung 2011 Stand 2015: langsam steigender Einsatz Juli 2015

60 ABB Field Information Manager
Feldbus - Integration: ABB Field Information Manager ABB-Tool für Feldgeräte mit FDI Device Package (1. Tool weltweit!) - FIM scannt die Anlage automatisch und zeigt angeschlossene Geräte an - Ein Gerät ist durch ein Kennzeichen („ABB TTX“) identifiziert - Für ein Gerät können verschiedene Sichten gewählt werden: Option: Laden über DD / EDD files Feldgerät-Daten über FDI Dev.Pack. - Leichte Umschaltung zwischen Geräten und Sichten Feld- gerät (ABB TTX) Kommunikation mit den Feldgeräten zunächst über HART-Modem, weitere Schnittstellen in Entwicklung Beispiel: Anzeige und Parametrierung Feldgerät- Typ (Bilder: ABB) Siemens: wollen ihren PDM einsetzen (Process Device Manager) Juli 2015

61 Literatur [1] Von der Konfiguration zum Asset Management
Prof.Dr.Ing. Karl-Heinz Niemann, FH Nordostniedersachsen, früher ABB Control Products, atp 7/2003 [2] Unified Modeling Language / system Definition Language Dr. Marc Born, Frauenhofer - Gesellschaft (internet) [3] Austausch von Anlagenplanungsdaten auf der Grundlage von Metamodellen Prof.Dr.Ing. Ulrich Epple, RWTH Aachen, atp 7/2003 [4] PROFInet - ein neues Konzept für die Automatisierungstechnik Frank Iwanitz, Softing AG, atp 7 u. 8 /2003 [5] Wiederverwendung von Automatisierungs - Informationen und - Lösungen Richard Alznauer, Karl Auer, Alexander Fay (alle ABB), atp 3/2003 [6] IECPAS Part 2: Specification of FB concept and Electronic Device Description Language (EDDL) [7] „Geräteintegration in der Feldbustechnik“ (GSD / EDD / FDT), Publikation der PROFIBUS - Nutzerorganisation [8] „EDDL - Einheitliches Gerätemanagement“, Publikation der PROFIBUS – Nutzerorganisation [9] Softwareagenten – Alternative Art der Softwareentwicklung, Paulo G. de A. Urbano, Thomas Wagner, Peter Göhner (TU Stuttgart), atp 11/2004 [10] Norm DIN ISO „Fließschemata für verfahrenstechnische Anlagen“ [11] Norm DIN EN 62424: : Darstellung von PLT- Aufgaben in R&I- Fließbildern und Datenaustausch Fließbilder – CAE-System [12] Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 Abschlussbericht des Areitskreises Industrie 4.0 [13] „FDI: One device – one package – all tools“ FDI Cooperation, 2014

62 UML UML - Einführung (Unified Modeling Language):
UML ist Standardsprache für Visualisierung, Spezifikation, Konstruktion und Dokumentation komplexer Softwaresysteme. UML ist Prozess- und Technologie-unabhängig und im gesamten Entwicklungszyklus einsetzbar. UML kombiniert Konzepte aus Objektorientierter Modellierung, Datenmodellierung (Entity Relationship Diagrams), Business-Modellierung (work flow), Component Modeling, Behavior Modeling, ... UML ist eine Notation/Sprache, keine Methode, abstrahiert von – architekturellen Vorgaben, – Design- und Implementierungs-Styles, – Technologien (Software, Hardware, Infrastrukturen, ...), – Entwicklungsprozessen standardisiert – Begriffswelt (Modellierungskonzepte), – Semantik (Bedeutung der Modellierungskonzepte), – visuelle Darstellung (Notation der Modellierungskonzepte), führt Ideen verschiedener Techniken zusammen: – Booch, OMT, Jacobsson, ROOM, SDL, EDOC, MSC, Component Based Modeling, ... Nutzen/Ziele des UML-Einsatzes:  Blueprint für die Softwareentwicklung, Hilft Nutzern, Entwicklern und Kunden bei der Kommunikation – Anforderungen, Designvorgaben, Deployment-Constraints etc. mittels UML-Modellen festlegbar  Bietet Konzepte zur nachvollziehbaren Modellierung (“Tracebility”) – vom initialen Geschäftsmodell bis zum einsetzbaren System  Zentrale Bibliothek für Wissen und Erfahrungen in Form von Modellen (Wiederverwendbarkeit)  Verbesserung der Softwarequalität  Langfristige Kostenreduzierung  Flexibilität für schnelle techn. und geschäftl. Änderungen aufgrund der Anwendbarkeit im gesamten Entwicklungsprozess  Große und komplexe Softwaresysteme erfordern sorgfältiges Design (Fraunhofer FOKUS und Humboldt Universität zu Berlin, 2003)

63 UML Definition (Standard-Dokumente)
UML Konzepte zur Darstellung der Grenzen eines Systems sowie seiner wichtigsten Funktionen:  use case diagrams, – Beschreibung der use-case Realisierung,  interaction diagrams – Repräsentation der statischen Struktur des Systems einschließlich Implementationsarchitektur,  class diagrams, component diagrams, deployment diagrams – Modellierung des Objektverhaltens,  state machine diagrams, sequence diagrams, activity diagrams UML Definition (Standard-Dokumente) UML - Infrastructur: – “Infrastructure requirements: These requirements are primarily concerned with architectural alignment, restructuring and extension mechanisms. They address how UML 2.0 will be defined and structured as a metamodel” – Vereinheitlichung aller Modellierungsstandards in der OMG – “Proposals shall enforce a clear separation of concerns between the specification of the semantics and notation...” – “Proposals shall minimize the impact on users of the current UML 1.x, ... specifications, and will provide a precise mapping between the current UML 1.x and 2.0” – “Proposals shall identify language elements to be retired from the language for reasons such as being vague, gratuitous, too specific, or not used.” – “Every UML metamodel element must be an instance of exactly one MOF metametamodel element.” UML Superstructure – “Superstructure requirements: These requirements are primarily focused on the refinement and extension of UML 1.x semantics and notation.” – Definition der UML selbst – nutzt UML Infrastructure – beinhaltet UML Semantics und UML Notation – Component-Based Development, Component assembly and plug-substitutability, Spec. of common interaction patterns – Run-Time Architectures, Modeling of the internal structure of a classifier, Spec.of the dynamic behavior of the internal structure of a classifier – Relationships Specification of how the features and behavior of all generalizable model elements are affected by specialization. Specification of what «refine» and «trace» mean and provide usage guidelines.

64 UML Object Constraint Language
– “... widely used both to define well-formedness rules for the UML metamodel (as well as for other metamodels in the OMG), and as a way for UML users to express precise constraints in UML models.” – enge Integration von OCL und UML auf der Basis der Sprachdefinition UML Diagram Interchange – “[...] UML 1.x [...] does not include sufficient details to include graphical and diagram information necessary to represent and interchange the diagrammatic aspects [of] UML models [...] The lack of diagram information also makes it difficult to use UML designs across a suite of products, which need to share the semantic, structural, and presentation information consistently.”

65 Anhang Rösberg PRODOC

66 Anhang R&I Rösberg

67 Interaktives R&I-Schema (Visual Engineering Software)
Anhang Interaktives R&I-Schema (Visual Engineering Software)

68 „Verdrahtungs- Struktur- Plan“ (Fa. Rösberg)
Anhang „Verdrahtungs- Struktur- Plan“ (Fa. Rösberg)