Mit dem Release 3.4 erfolgt die Integration wichtiger Teile der Engineering- Plattform Automation Studio in das linuxbasierende Prozessleitsystem Aprol. Damit stehen jetzt auch Funktionen zur Verfügung, um neben der eigentlichen verfahrenstechnischen Anlage alle vor- und nachgelagerten wie auch parallelen Prozesse zu automatisieren. Beispielsweise werden Feldbusse wie Powerlink, CANopen, Profibus-DP/PA und Modbus TCP in der Hardware-Konfiguration des Prozessleitsystems unterstützt.

Für Flexibilität hinsichtlich Rechenleistung sorgen unterschiedliche Controller mit Zykluszeiten ab 400 μs (typisch sind 10 ms), optional redundante Bus-Strukturen für den Prozess wie auch Controlbus, Hot-Swapping, Programmänderungen im laufenden Betrieb (CIR: Configuration in Run), dezentrale E/AModule für Ex-Bereiche, Zeitstempelung auf Controller-Ebene (Event-Treiber) sowie die Remote-I/Os System 2005 und X20 mit optionalen Sicherheitsfunktionen.

Sämtliche Komponenten werden in der Hardware-Ansicht der Engineering-Plattform dargestellt und sind darüber konfigurierbar. Beispielsweise lassen sich die benötigten Schnittstellen-Module mittels der I/O-Konfiguration und Zuordnung an der jeweiligen Schnittstelle oder am lokalen I/O-Bus einfügen und parametrieren. Darüber hinaus steht mit dem Monitor- Modus eine komfortable Umgebung zur Verfügung, um die im Projekt konfigurierten I/O-Module und deren Kanäle physikalisch zu testen.

Ebenso können in diesem Modus unabhängig von dem im Programm zugewiesenen auch logische Werte gesetzt werden. Die Feldbus-Konfiguration erfolgt identisch zu den I/O-Modulen: Die jeweilige Feldbus-Schnittstelle wird dazu einfach in den Hardware-Baum eingefügt und parametriert. Die Integration der Feldgeräte erfolgt über eine Importfunktion, welche die Gerätebeschreibungen des jeweiligen Anbieters (GSD: Gerätestammdaten, EDS: Electronic Device Description) in die die B&Rspezifische HWC-Datei (HWC: Hardware Configuration) konvertiert. Generell werden alle im Automation Designer erstellten Strukturen und Programm- Elemente im Aprol-Projekt abgelegt und wie die übrigen leittechnischen Bestandteile archiviert.

Visualisierung embedded

Speziell beim Aufbau der Not-Bedienebene vor Ort oder für kompakte Sub-Units ist die im Automation Studio integrierte Visualisierung von Vorteil. Damit lassen sich unabhängig von der übergeordneten Leittechnik Bedienoberflächen projektieren, vom einfachen Zeilendisplay bis hin zu XGA-Displays mit Tasten und Touchscreen.

Diese Visualisierungsprojekte sind nach wie vor im Aprol-Projekt abgelegt, werden aber zusammen mit dem Steuerungsprogramm in den jeweiligen Controller geladen. Bei einem Ausfall der Leitebene kann die Visualisierung vor Ort über ein Bedienpanel oder einen Panel-Controller erfolgen. Ebenso lässt sich die Not-Bedienung über VNC (Virtual Network Computing) und ein am Controller angeschlossenes Notebook oder über jeden anderen PC im Netzwerk realisieren.

Komfortable Analyse-Funktionen im TrendViewer ermöglichen eine effiziente Auswertung der historischen Trenddaten.

Das Laufzeitsystem der Controller zeichnet alle im Betrieb aufgetretenen Fehler, Warnungen und Hinweise nullspannungssicher in einem Systemlogbuch auf. Diese Informationen lassen sich bei einer bestehenden Online-Verbindung jederzeit auslesen, über das Tool „Profiler" auswerten und bei Bedarf direkt in das Alarmmanagement des Prozessleitsystems einbinden. Der Profiler ermöglicht daneben die Analyse des Laufzeitsystems hinsichtlich System-Auslastung und die anschließende Optimierung: Beispielsweise lässt sich damit kontrollieren, ob eine Anlagen-Erweiterung ohne zusätzlichen Controller möglich ist. Mit den zunehmenden Qualitätsansprüchen in der Automatisierungsindustrie steigen die Anforderungen an system- und regelungstechnische Lösungen.

Um dem gerecht zu werden, braucht es realistische Simulationsmodelle, die Aussagen über das Systemverhalten der implementierten Automatisierungslösung ermöglichen. Die Firma B&R unterstützt das mit zwei Werkzeugen, dem I/O-Switchboard und der optionalen Kopplung zur Entwicklungsplattform Matlab/Simulink der Firma The Mathworks. Das I/O-Switchboard ist eine eigenständige, über das offene Simulations-Protokoll WinIO in das Automation Studio integrierte Applikation zur grafischen Simulation von I/O-Zuständen eines Controllers.

Safety- und Sicherheitsloops inklusive

Solche Verifizierungen sind gerade im Umfeld sicherheitsrelevanter Anwendungen unerlässlich, die mit dem SafeDesigner der Engineering-Plattform projektiert werden. Das Programmiertool verfolgt das Konzept der integrierten aber separaten Sicherheitslogik, bei dem sicherheitstechnische Funktionen sowie sicherheitsgerichtete Datentypen vollständig gekapselt sind und sich nur über eine eigenständige Zugriffsrechteverwaltung aufrufen lassen. Kern des Projektierungstools ist ein grafischer Programmeditor, dessen Drag& Drop- und Cut&Paste-Mechanismen die Applikationserstellung erleichtern.

Das Laufzeitdiagramm zeigt in chronologischer Abfolge das „Kommen“ und „Gehen“ aller im gewählten Zeitraum angestandenen Alarme.

Dieses intuitive Bedienen reduziert die Entwicklungszeit und vor allem Fehler. Im Hintergrund überwacht das System dazu die Plausibilität der zu entwickelnden Safety- Applikation. Die Programme sind in den Sprachen Kontaktplan- und Funktionsblock (KOP, FUB) programmierbar. Als Grundlage können dafür die in der PLCopen standardisierten Funktionsblöcke für sicherheitstechnische Anwendungen dienen. Diese zertifizierten Funktionsbausteine reduzieren den Zeitaufwand und die Kosten über alle Phasen des Lebenszyklus einer sicherheitstechnischen Applikation, angefangen von der Spezifikation, über die Implementierung bis hin zu Test und Prüfung der Funktionen.

Für zusätzliche Sicherheit sorgen zudem vielfältige Compiler, die den Programmcode in den entsprechenden Maschinencode des Safety-Controllers übersetzen. In Kombination mit einer zentralen, systemweiten Visualisierung inklusive System- und Eigendiagnose aller Komponenten des Prozessleitsystems, verringert das Engineering Studio den Engineeringund Wartungsaufwand - von kleinen Anlagen mit wenigen I/Os und Einplatz- System (Single-Node) bis hin zu großen Anlagen mit komplexen redundanten Client-Server-Architekturen.

Den Kern jeder Leittechnik bildet ein leistungsfähiges Trendsystem, das bei Aprol auf einer schnellen Datenbank und einer webbasierten Abfragetechnologie aufbaut. Spezielle Analysefunktionen im TrendViewer ermöglichen eine effiziente Auswertung der historischen Daten. Die Integration aller archivierten Alarme und Ereignisse erleichtert die Analyse zusätzlich. Für jede Trendkurve eines Messwerts kann bei dessen Anzeige ein beliebiger zeitlicher Offset, zum Beispiel acht Stunden, definiert werden. Darüber können dann verschiedene Schichten oder Tage miteinander verglichen werden.

Bis zu 20 Trendkurven in einem Diagramm

In einem Diagramm sind bis zu 20 Trendkurven mit unterschiedlichen Offsets darstellbar. In Kombination mit den eingeblendeten Markierungen für Chargenstart/- stopp kann damit der „Golden Batch" und das zulässige Toleranzband ermittelt werden.

Die Daten werden via Web-Server und dem http-Protokoll von der historische Trenddatenbank abgerufen, die sich auf dem Runtime-Server befindet und allen Operator-Stationen und Web-Clients die gewünschten historischen Daten zur Verfügung stellt. Der zusätzlich aktivierbare Online-Modus sorgt bei Bedarf für eine kontinuierliche Darstellung. Es können Markierungen als Lineal oder als Symbol im Diagramm eingeblendet werden.

Advanced Process Control inklusive: Über eine Kopplung zu Matlab/Simulink stehen fortschrittliche Optimierungs-Strategien zur Verfügung.

Über die Markierungen besteht außerdem die Möglichkeit, im Kontext-Daten-Browser verschiedene tabellarische Zusammenstellungen der Datensätze einzublenden beziehungsweise damit zu verknüpfen. Eine weitere Option zur Kennzeichnung von Ereignissen und deren Strukturierung sind Kommentare, womit eine vollständige elektronische Dokumentation der historischen Daten im Prozessleitsystem gegeben ist. Die Konfiguration und benutzerspezifische Anpassungen der Trendkurven und -diagramme erfolgen durchgängig im Engineering- System von Aprol.

Die Trenddarstellungen (gruppiert in bis zu 5000 Trendgruppen) lassen sich mittels Suchfunktion oder durch Navigation in der Funktionswelt des Projektes zusammenstellen. Für einen TrendViewer können bis zu fünf Instanzen gleichzeitig gestartet werden. Zudem kann der TrendViewer alle im Diagramm dargestellten Trendkurven statistisch auswerten und die Ergebnisse in unterschiedlicher Form grafisch und tabellarisch darstellen, zum Beispiel als „Torten", „Säulen" (prozentual) und „Segmentsäulen".

Eine XML-basierende Exportfunktion transferiert die historischen Trenddaten in eine Stand-alone SQL-Datenbank (MySQL). Unterstützt werden Reports mittels Tabellenkalkulationen (MS Office Excel, OpenOffice.org Calc) oder spezielle Reporting- und Analyse-Tools wie Crystal Reports oder Sytech XLReporter. Eine selektive Export-Möglichkeit von Trenddaten wahlweise in gerasterter Darstellung oder durch Export der aufgezeichneten Trenddaten-Ereignisse erleichtert den Zugriff auf die Daten. Für weitere Analysen steht auch der CSV-Export zur Verfügung.

Wenn PID-Regler versagen

Klassische Reglerstrukturen reichen heute nicht mehr aus, um die Prozessführung einer Anlage hinsichtlich Durchsatz, Wirkungsgrad, Produktqualität sowie der Kosten für Energie und Rohstoffe zu optimieren. Hier ist Advanved Process Control (APC) gefragt: Die Bandbreite reicht von PID-Optimierungen und -Erweiterungen über Rapid Prototyping, Fuzzy Control und neuronale Netze bis hin zu modellbasierten prädiktiven Mehrgrößenregelungen (MPC). Aprol stellt mit der optionalen Toolbox „Target for Simulink" ein entsprechendes APC-Werkzeug zur Verfügung.

Die Toolbox schafft die Voraussetzungen für den Entwurf und die Entwicklung anspruchsvoller Simulationsmodelle sowie Reglerstrukturen, die ohne Hilfsmittel kaum oder nur sehr zeitaufwendig realisierbar wären. Aus den Simulink- Modellen wird automatisch ein auf das Automation Studio optimierter Hochsprachen- Code generiert, der sich auf B&R-Controller übertragen lässt. Die mühsame manuelle Erstellung von Sourcecode, die stets das Risiko von Programmierfehlern birgt, gehört damit der Vergangenheit an.

Zum Test solcher Algorithmen-Schäden empfiehlt es sich, kritische Anlagenteile durch ein Emulationssystem zu ersetzen. Zu diesem Zweck wird mittels „Hardware in the Loop" ein Emulations- Task eingesetzt, der das Verhalten der realen Anlage möglichst exakt nachbildet. Neben APC-Technologien lassen sich sequenzielle Abläufe und Verzweigungen implementieren, die mit dem Mathworks- Tool Stateflow erstellt wurden. Diese Sequenzen können über Simulink-Modelle in das Prozessleitsystem integriert werden.

Damit wird es möglich, den automatisch generierten Programmcode um eventgesteuerte Schrittketten sowie um verzweigte Flussdiagramme zu erweitern. Parallel dazu unterstützt das Prozessleitsystem die SFC-Programmierung nach IEC 61131-3 (SFC: Sequential Function Chart), mit der sich zeit- und ereignisorientierte Steuerungsabläufe grafisch erstellen lassen.

Neben den Anforderungen der Prozess- und diskreten Fertigungsindustrien, unterstützt das Prozessleitsystem die in der Pharmabranche notwendige Validierung. Integriert sind unter anderem Funktionen hinsichtlich der Validierungsrichtlinien 21 CFR Part 11 von FDA und des GAMP-Forums (siehe auch Computer& AUTOMATION 2008, H. 4, S. 184ff.). Dazu zählen eine integrierte Engineering- Rechteverwaltung, automatische Revisions- und Änderungsverwaltung (inklusive Change Control Logging), Operator- Rechte und Passwort-Verwaltung mit Passwort-Revision sowie integriertes AuditTrail für alle Operator-Eingriffe.

Autor: Stefan Lau ist Vertriebsleiter Prozess Automation bei der Firma B&R in Bad Homburg.