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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation einer Automatisierungsanlage.
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Automatisierungsanlagen
besitzen eine Ein-/Ausgabeschnittstelle zum Anlagenbediener, Instandhalter
oder Anlagenprojekteur. Über
diese Schnittstelle in Form eines Kommunikationsgerätes (HMI,
Human Machine Interface, Bedien- und Beobachtungsgerät) können vom
Bediener Prozessparameter im Anlagenbetrieb verändert und beobachtet werden.
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Heute
erfolgt die Bedienung und Beobachtung einer Automatisierungsanlage
in der Regel von einem sogenannten Engineering-Rechner aus, der an
der Automatisierungsanlage über
ein Netzwerk, z.B. Ethernet, Token-Ring oder Feldbus angeschlossen
ist. Von ihm können
z.B. auch neue Maschinendaten in Form von Ablaufprogrammen oder
Prozessanweisungen in Form von Rezepturen für chemische Prozesse in die
Anlage geladen werden. Außerdem werden
an diesem Rechner Diagnoseinformationen des Prozesses, Fehlermeldungen
etc. ausgegeben. Das oben genannte Kommunikationsgerät ist also
in der Regel Teil des Rechners und als Anwendungsprogramm realisiert.
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Ist
die Automatisierungsanlage z.B. um zusätzliche Geräte, also Automatisierungskomponenten
erweitert worden oder ist in der Anlage ein Fehler im Anlagenbetrieb
aufgetreten, so müssen
am Kommunikationsgerät
Bedienhandlungen vorgenommen werden, um in den laufenden Anlagenprozess
einzugreifen, um diesen zu modifizieren oder zu ergänzen.
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Vor
allem bei Chemieprozessen, welche oft eine Anlaufzeit von bis zu
drei Wochen haben, ist wichtig, dass diese Eingriffe bei laufender
Anlage stattfinden können.
Jeder Eingriff in die Anlage kann jedoch zu weiteren Problemen,
z.B. in Form von unvorhersehbarem Verhalten der Automatisierungsanlage
führen,
da z.B. derartige Maßnahmen
zum ersten Mal durchgeführt
werden und vorher nie erprobt wurden. Dies kann dann letztendlich
zu einem kritischen Anlagenzustand und zum Anlagenstillstand führen, der
mit hohen Folgekosten und Zeitaufwand für den Anlagenbetreiber einhergeht.
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Eine
reine Programmsimulation von Anlagenkomponenten, wie z.B. einer
Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) findet heute im Labor statt.
Bei der Programmsimulation werden die normalerweise im Betrieb vom
Prozess stammenden Eingangssignale der Komponente bzw. dem in ihr
ablaufenden Programm manuell vorgegeben. Dieses Verfahren ist aufwendig
und kann nicht im Betrieb der Anlage eingesetzt werden. Die manuell
einzugebenden Werte entstammen der Theorie und sind Sollwerte, wie
sich der Prozess und die Umgebung der Komponente eigentlich im Prozessbetrieb
verhalten sollte. Reale Einflüsse
in der Anlage können
so nicht berücksichtigt
werden.
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Eine
derartige Simulation ist langwierig und findet fern ab vom Prozess
statt. Gerade beim Auftreten eines Fehlers in einer laufenden Automatisierungsanlage
ist jedoch schnelles und prozessnahes Reagieren notwendig.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, die Simulationsmöglichkeiten an einer Automatisierungsanlage
zu verbessern.
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Die
Erfindung wird gelöst
durch ein Verfahren zur Simulation einer Automatisierungsanlage,
bei dem ein Kommunikationsgerät
zur Bedienung und Beobachtung der Automatisierungsanlage Daten mit dieser
austauscht, und die Automatisierungsanlage in einem Anlagensimulator
nachgebildet wird. Zur Simulation wird das Kommunikationsgerät mit dem
Anlagensimulator verbunden und tauscht mit diesem Daten aus.
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Durch
den Anlagensimulator erfolgt nicht nur eine einzelne Programmsimulation,
sondern die Simulation der gesamten Auto matisierungsanlage in der
tatsächlich
im Einsatzfall vorhandenen Konfiguration. Der Anlagensimulator stellt
also ein wirklichkeitsgetreueres Abbild der sich gerade im Betrieb
befindlichen Automatisierungsanlage dar. Die Simulation ist hierdurch
wesentlich realistischer und näher
an der Wirklichkeit als eine reine Programmsimulation einer Anlagenkomponente,
da z.B. Wechselwirkungen zwischen Anlagenkomponenten berücksichtigt werden
können.
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Die
Simulation kann außerdem
im Bedarfsfall sofort durchgeführt
werden, da diese vor Ort, nämlich
vom Kommunikationsgerät
der Automatisierungsanlage aus erfolgt und nicht im Labor. Das Kommunikationsgerät, vor welchem
im Regelfall der Anlagenbediener sitzt, wird nämlich zur Simulation mit dem
Anlagensimulator verbunden und tauscht mit diesem Daten aus. Der
Anlagenbediener muss also seinen Arbeitsplatz nicht verlassen, um
die Simulation durchzuführen.
Die Simulation kann also sofort bei Bedarf durchgeführt werden.
Die Anlagensimulation ist eine vollständige Simulation der gesamten
Anlage einschließlich
des Kommunikationsgeräts,
also des HMI.
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Die
Simulation erlaubt ein gefahrloses Testen von Bedienhandlungen oder
z.B. neuen Rezepturen oder Maschinendaten am realitätsnah gestalteten
Simulationsabbild der Anlage. Der Versuch einer Fehlerbehebung in
der realen Anlage kann vor dessen tatsächlicher Durchführung zeit-
und realitätsnah simuliert
und dessen Erfolg abgeschätzt
werden.
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Eine
derartige Simulation eignet sich auch für Schulungen, Einarbeitung
neuer Mitarbeiter bzw. deren Training oder die Inbetriebnahme der
Anlage. Systematische Fehler in der Projektierung der Automatisierungsanlage,
z.B. in den Programmen bzw. Projektierungsdaten können durch
die Simulation aufgedeckt werden, ohne in der realen Anlage Schaden
anzurichten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird vor Beginn der Simulation ein Prozessabbild der
Automatisierungs anlage von dieser in den Anlagensimulator übertragen.
Zum Startpunkt der Simulation wird sozusagen eine Momentaufnahme
der Automatisierungsanlage bezüglich
derer sämtlichen
Ein- und Ausgabegrößen und
internen Zustandsvariablen genommen und diese dem Anlagensimulator
zugeführt.
Die dem Anlagensimulator als Eingangswerte dienenden Prozessgrößen müssen also
nicht mehr von Hand gesetzt werden, was eine erhebliche Zeit- und Aufwandsreduzierung
bei der Eingabe der Simulationsparameter bedeutet. Die Simulation
ist außerdem
sehr realitätsnah,
da sämtliche
Prozessparameter, also auch eventuell nicht beabsichtigte oder fehlerhafte
Konfigurationen von Prozessparametern im Anlagensimulator berücksichtigt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Datenaustausch des Kommunikationsgerätes zwischen
Automatisierungsanlage und Anlagensimulator umgeschaltet. Dies ermöglicht dem
Anlagenbediener auch während
der laufenden Anlagensimulation von seinem Arbeitsplatz aus eine zwischenzeitliche
Kontrolle der realen Automatisierungsanlage, ohne dass er seinen
Arbeitsplatz verlassen muss. Die Anlagensimulation kann also parallel
zur Anlagenbedienung von einer einzigen Person ausgeführt werden.
Der Anlagenbediener kann also weiterhin den tatsächlichen Prozess der Automatisierungsanlage
beobachten, da er sich hierbei mit seinem Kommunikationsgerät lediglich
vom Anlagensimulator abzukoppeln und wieder auf die reale Anlage aufzuschalten
braucht. Beim Auftreten sicherheitsrelevanter Meldungen o.ä. der realen
Anlage an den Bediener kann die Umschaltung vom Simulator auf die
reale Anlage auch automatisch erfolgen. Bei Verwendung eines Engineering-Rechners
mit einer grafischen Bedienoberfläche können auch die reale Anlagenbedienung
und die Simulation als je ein Fenster parallel auf dem Bildschirm
dargestellt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung werden die Eingabe eines Benutzers am Kommunikationsgerät protokolliert.
Der Anlagenbediener als Benutzer des Kommunikationsgerätes muss
sich so seine in der Simulation erfolgenden Bedien schritte weder
merken, noch diese von Hand mitnotieren, um zu speichern, welche
Bedienhandlungen in einer bestimmten Situation erfolgreich waren
und welche vermieden werden sollten. Das Protokoll kann ihm später bei
der realen Bedienung der Anlage sozusagen als Vorlage für sein weiteres
Vorgehen, also die tatsächliche
Anlagensteuerung dienen. Auch ist denkbar, die gespeicherten Bedienhandlungen
oder Teile davon in elektronischer Form als Kommandofolge nach Zustimmung
des Benutzers in die reale Automatisierungsanlage einzuspeisen,
wodurch der Benutzer die Bedienhandlungen selbst gar nicht mehr ausführen muss,
sondern diese dem Protokoll entnommen und der Anlage übermittelt
werden.
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Im
Laufe der Zeit können
Bedienprotokolle aus den Simulationsbetrieb einzelnen, eventuell
wiederkehrenden Störungen
zugeordnet werden, wodurch der Anlagenbediener mit der Zeit über einen Fundus
von Anleitungen zur Störungsbeseitigung verfügen kann.
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Für eine weitere
Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen.
Es zeigen, jeweils in einer Prinzipskizze:
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1 eine
Automatisierungsanlage im Normalbetrieb,
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2 die
Automatisierungsanlage aus 1 im Simulationsbetrieb.
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1 zeigt
eine Automatisierungsanlage 2 mit einem Rechner 4.
Die Automatisierungsanlage 2 enthält eine Steuerung 8 (SPS,
Speicherprogrammierbare Steuerung) und mehrere Komponenten 10, die
alle über
ein Netzwerk 6 und einen Feldbus 24 verbunden
sind, um miteinander zu kommunizieren. Der Rechner 4 ist
als Engineering-Rechner an das Netzwerk 6, und damit an
die Automatisierungsanlage 2 angeschlossen.
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Vom
Rechner 4 wird die gesamte Automatisierungsanlage 2 zentral überwacht.
Im Rechner 4 sind mehrere Einzelkomponenten enthalten,
nämlich ein
Kommunikationsgerät 12 (HMI,
Human Machine Interface, Kommunikationsgerät) eine Steuerungsanbindung 14 und
ein Anlagensimulator 16. Diese Einzelkomponenten sind als
Softwaremodule im Rechner 4 realisiert, der über eine
graphische Bedienoberfläche,
z.B. MS-Windows verfügt,
auf der die Komponenten als Fensteranwendungen bedient werden.
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Die
Steuerungsanbindung 14 steht über Kommunikationswege 18 und 20a sowohl
mit dem Kommunikationsgerät 12 als
auch mit dem Netzwerk 6, und somit mit der gesamten Automatisierungsanlage 2 in
Verbindung. Die Steuerungsanbindung 14 dient als Adapter,
um sämtliche
vom Netzwerk 6 kommenden Signale der Automatisierungsanlage 2 so
aufzubereiten, dass diese am Kommunikationsgerät 12 dargestellt werden
und sämtliche
am Kommunikationsgerät 12 abgesetzten
Steuerbefehle an das Netzwerk 6 und somit an die Automatisierungsanlage 2 weitergegeben
werden.
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Befindet
sich die Automatisierungsanlage 2 im Normalbetrieb, so
ist das Kommunikationsgerät 12 nicht
mit dem Anlagensimulator 16 verbunden, dieser wird also
in einer derartigen Situation nicht genutzt. Sämtliche Kommunikation des Kommunikationsgerätes 12 erfolgt
ausschließlich
mit der Automatisierungsanlage 2.
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2 zeigt
eine Situation, bei der sich die Anordnung aus 1 im
Simulationsbetrieb befindet. Die Simulation findet lediglich im
Rechner 4 statt, die Automatisierungsanlage 2 selbst
läuft weiterhin im
regulären
Betrieb. Die Automatisierungsanlage 2 steht deshalb auch
weiterhin über
den Kommunikationsweg 18 mit der Steuerungsanbindung 14 in
Kontakt.
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Beim
Betrieb der Automatisierungsanlage 2 werden nicht andauernd
Daten zwischen Kommunikationsgerät 12 und
Automatisierungsanlage 2 ausgetauscht, sondern nur, wenn
z.B. am Kommunikationsgerät 12 Eingaben
gemacht werden, die an die Automatisierungsanlage 2 übermittelt
werden oder wenn von der Au tomatisierungsanlage 2 Meldungen ans
Kommunikationsgerät 12 abgesetzt
werden.
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Deshalb
ist im Simulationsbetrieb in 2 der Kommunikationsweg 20a zum
Kommunikationsgerät 12,
wie durch die Strichelung angedeutet, im Gegensatz zu 1 nicht
dauerhaft verbunden, aber weiterhin nutzbar, sobald eine Kommunikation
von Kommunikationsgerät
und Automatisierungsanlage 2 erfolgen soll.
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Der
Anlagenbediener am Kommunikationsgerät 12 kann jederzeit
bei Bedarf dieses über
den Kommunikationsweg 20a mit der Steuerungsanbindung 14 verbinden,
um die Anlagenfunktion zu überprüfen oder
zu beeinflussen. Die Verbindung 20a wird z.B. auch bei
Auftreten einer Fehlermeldung in der Anlage 2 automatisch
hergestellt, um den Anlagenbediener dies über das Kommunikationsgerät 12 mitzuteilen
und diesen zu einer Reaktion aufzufordern.
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Zur
eigentlichen Simulation der Automatisierungsanlage 2 ist
das Kommunikationsgerät 12 über den
Kommunikationsweg 20b mit dem Anlagensimulator 16 verbunden.
Der Anlagensimulator 16 bildet die gesamte Automatisierungsanlage 2 im
Zusammenspiel mit dem Kommunikationsgerät 14 und der Steuerungsanbindung 12 virtuell
als Simulation nach.
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Zum
Simulationsbeginn wird der Anlagensimulator 16 mit einem
kompletten Prozessabbild der Automatisierungsanlage 2 versorgt.
Dies erfolgt, wie durch den Pfeil 22 angedeutet, indem
sämtliche
im System zu diesem Zeitpunkt vorhandenen Eingangsgrößen bzw.
Zustandsvariablen von der Steuerungsanbindung 14 als Momentaufnahme
in den Anlagensimulator 16 eingespeist werden. Zu diesem
Zeitpunkt stellt der Anlagensimulator 16 also ein exaktes Abbild
des derzeitigen Zustandes der gesamten Automatisierungsanlage 2 zusammen
mit dem Kommunikationsgerät 12 und
der Steuerungsanbindung 14, sozusagen eine Momentaufnahme
des gesamten Systems dar.
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Ab
diesen Zeitpunkt simuliert der Anlagensimulator 16 das
weitere theoretische Verhalten der Automatisierungsanlage 2 aufgrund
dieser Momentaufnahme und der in ihm vorhandenen theoretischen Modellierung
des gesamten Systems. Da er über
den Kommunikationsweg 20b mit dem Kommunikationsgerät 12 verbunden
ist, reagiert er auf sämtliche
ab diesem Zeitpunkt vom Kommunikationsgerät 12 an den Simulator 16 gegebenen
Steuerbefehle. Der Bediener am Kommunikationsgerät 12 kann somit erkennen,
wie sich die Automatisierungsanlage 2 verhalten würde, wenn
er die von ihm vorgenommenen Bedienschritte tatsächlich an der realen Automatisierungsanlage 2 ausführen würde. Dennoch
erfolgt kein Schreiben dieser Eingabedaten des Kommunikationsgerät 12 auf
den realen Prozess. Die reale Automatisierungsanlage 2 merkt
also hiervon nichts und läuft
unbeeinflusst im Normalbetrieb weiter.
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Im
dargestellten Beispiel wurde vom Normalbetrieb nach 1 in
den Simulationsbetrieb nach 2 gewechselt,
da eine Komponente 10 der Anlage nicht mehr ordnungsgemäß funktionierte,
z.B. ein Motor lief nicht mehr an. Im Simulationsbetrieb wird deshalb
ein modifiziertes Modul in das simulierte HMI bzw. Kommunikationsgerät, also
den Simulator 16, geladen, und vom realen Kommunikationsgerät 12 nochmals
das Signal zum Loslaufen des simulierten Motors gegeben. Der Anlagensimulator 16 liefert
das Ergebnis, dass der simulierte Motor nun das Signal zum Hochlaufen
erhält.
Die restliche simulierte Automatisierungsanlage 2 verhält sich
wunschgemäß. Die Simulation
hatte also Erfolg. Nun wird das hierdurch getestete Modul tatsächlich in
das reale HMI, also das Kommunikationsgerät 12 geladen und der Fehler
in der realen Automatisierungsanlage 2 ist behoben.
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Um
zwischenzeitlich, also während
der laufenden Simulation im Anlagensimulator 16, die Funktion
der realen Anlage überprüfen zu können, kann der
Bediener das Kommunikationsgerät 12 am
Anlagensimulator 16 über
den Kommunikationsweg 20a wieder auf die Steuerungsanbindung 14 aufschalten, wobei
sich dann die Anlage wieder im Normalbetrieb wie in 1 befindet,
außer
das der Anlagensimulator 16 in der Zwischenzeit weiterläuft und
somit das Anlagenverhalten weiter simuliert.
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Diese
Umschaltung kann z.B. am Rechner 4 durch das von graphischen
Bedienoberflächen
in bekannte Benutzen der Tasten ALT-TAB vorgenommen werden. So ist
es dem Bediener möglich,
quasi zwischen zwei Anwendungen, nämlich zwischen der realen Anlagensteuerung
der Automatisierungsanlage 2 und dem Simulationsbetrieb
im Anlagensimulator 16 beliebig hin und herzuschalten.
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Liefern
die vom Benutzer am Kommunikationsgerät 12 zum Anlagensimulator 16 geleiteten
Eingaben nicht die gewünschte
Reaktion in der simulierten virtuellen Anlage, so weiß er, dass
er ein anderes Vorgehen einschlagen muss. Die reale Automatisierungsanlage 2 und
der auf ihr laufende Prozess merkt hiervon nichts, wird also auch
nicht negativ beeinflusst. Der Benutzer kann so lange versuchen,
die simulierte Anlage durch Bedienung am Kommunikationsgerät 12 so
zu beeinflussen, bis diese das gewünschte Verhalten zeigt. Hierzu
kann er immer wieder auf ein und das selbe in Pfeilrichtung 22 eingespeiste
oben genannte Prozessabbild zurückgreifen, und
somit immer wieder von neuem vom identischen Anlagenzustand ausgehen,
um tatsächlich
vergleichbare Ergebnisse auf seine Eingaben am Kommunikationsgerät 12 zu
erhalten. Das Prozessabbild als Summe aller im gesamten System zu
einem Zeitpunkt vorhandenen Prozessparameter wird hierzu in einer
nicht dargestellten Speichereinrichtung, z.B. der Festplatte des
Rechners 4 gespeichert und kann jederzeit wieder abgerufen
werden.
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Ein
weiterer Vorteil hiervon ist, dass auch andere Analysen am gespeicherten
Prozessabbild vorgenommen werden können, z.B. geprüft werden kann,
ob in der Anlage systeminhärente
Fehler aufgetreten sind, z.B. nicht erlaubte Konfigurationen von Systemvariablen
(z.B. liefern zwei nicht dargestellte Sensoren gleichzeitig den
Wert 1, obwohl dies prozesstech nisch nicht sein dürfte), die
eventuell zu einem Fehlverhalten der Anlage führten.
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Liefern
die vom Benutzer am Kommunikationsgerät 12 zum Anlagensimulator 16 geleiteten
Eingaben die gewünschte
Reaktion der virtuellen Anlage als Simulationsergebnis, so stellt
der Bediener den Kommunikationsweg 20a zur Steuerungsanbindung 14 her
und nimmt die gleichen Eingaben am Kommunikationsgerät wie vorher
diesmal an der realen Automatisierungsanlage 2 vor, die
dann das bereits simulierte Verhalten zeigen wird.