Angewandte Regelung und Optimierung in der ... - uni-stuttgart
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Alexan<strong>der</strong> Horch<br />
<strong>Angewandte</strong> <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong><br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie<br />
5. Standards <strong>und</strong> Schnittstellen<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 1
Übersicht<br />
• E<strong>in</strong>führung <strong>und</strong> Motivation<br />
• Systemlandschaft für gehobene Lösungen<br />
• Welche Standards braucht e<strong>in</strong> <strong>Regelung</strong>stechniker?<br />
• OSI-Modell – Gr<strong>und</strong>lage <strong>der</strong> <strong>in</strong>dustriellen<br />
Komm<strong>uni</strong>kation<br />
• Industrial Ethernet – Tausendsassa?<br />
• OPC UA – Der Alleskönner<br />
• IEC 61131 – Leitsystemeng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g leicht gemacht<br />
• ISA S88 – Ke<strong>in</strong> Batch ohne<br />
• ISA S95 – Vertikale Integration<br />
• IEC 61850 – Automation <strong>und</strong> Energie wachsen<br />
zusammen<br />
• B2MML – ISA S95 <strong>in</strong> <strong>der</strong> Praxis<br />
• Zusammenfassung<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 2
Standards are great!<br />
... everyone should have one.<br />
Organisationen<br />
Unternehmen<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 3
Warum Standards?<br />
Damit D<strong>in</strong>ge zusammenpassen!<br />
Ramste<strong>in</strong> 1988<br />
Amerikanisch<br />
Deutsch<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 4
Standards <strong>und</strong> Schnittstellen<br />
Die Gretchenfrage(n) für Unternehmen<br />
• Wann lohnt es sich, e<strong>in</strong>en neuen Standard zu<br />
unterstützen?<br />
• Investition!<br />
• Wann schadet <strong>und</strong> wann nützt e<strong>in</strong> offener Standard dem<br />
Unternehmen?<br />
• Verlorenes Geschäft?<br />
• Welche <strong>der</strong> (oft vielen) möglichen Standards s<strong>in</strong>d die<br />
richtigen?<br />
• Ist e<strong>in</strong> Standard immer e<strong>in</strong> Standard?<br />
• Feigenblatt?<br />
• Standard bedeutet nicht immer ‚passt auch zusammen‘<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 5
Standards <strong>und</strong> Schnittstellen<br />
Ist das wirklich wichtig?<br />
• Es gibt immer e<strong>in</strong>en Standard<br />
• Standorte Unternehmen Industrien Nationen <br />
Kont<strong>in</strong>ente Weltweit<br />
• Für viele ähnliche Anwendungen exisiteren daher<br />
verschiedene Standards.<br />
• Beispiel Feldbustechnologie<br />
• HART, Profibus, Fieldbus FOUNDATION,<br />
<strong>in</strong>dustrial Ethernet, LON, KNX, CAN, ...<br />
• Schnittstellen s<strong>in</strong>d unabd<strong>in</strong>gbar, weil Systeme heute (<strong>und</strong><br />
schon lange) modular s<strong>in</strong>d. Zudem werden Module oft von<br />
verschiedenen Herstellern, Versionen etc. verwendet.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 6
Standards <strong>und</strong> Schnittstellen<br />
Momentane Trends <strong>in</strong> <strong>der</strong> Automatisierung<br />
OPC – Object LInk<strong>in</strong>g<br />
and Embedd<strong>in</strong>g for<br />
Process Control<br />
OPC DA – OPC Data<br />
Access<br />
OPC HDA – OPC<br />
Historical Data<br />
Access<br />
OPC AE – OPC Alarms<br />
& Events<br />
OPC UA – OPC Unified<br />
Architecture<br />
EDDL – Electronic<br />
Device Description<br />
Language<br />
FDT – Field Device<br />
Tool<br />
DTM – Device Type<br />
Manager<br />
FDI – Field Device<br />
Integration<br />
• Tendenz, verschiedene alte Standards <strong>in</strong> e<strong>in</strong>en neuen,<br />
geme<strong>in</strong>samen zu überführen:<br />
• OPC DA, OPC HDA, OPC AE, ... OPC UA<br />
• EDDL, FDT/DTM FDI<br />
• WirelessHART, ISA 100 ???<br />
• Feldbusse Industrial Ethernet<br />
• Proprietäre Schnittstellen werden vom Markt abgelehnt.<br />
• Große Unternehmen setzen eigene De-facto Standards (Microsoft,<br />
Apple, Siemens, ...).<br />
• Alle relevanten Unternehmen gestalten Standards mit.<br />
• Survival of the fittest, aber meist geographisch unterschiedlich.<br />
Z.B. Feldbusse <strong>in</strong> <strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie:<br />
• Profibus PA: Europa<br />
• Fieldbus Fo<strong>und</strong>ation: Asien, Nordamerika<br />
• HART: weltweit<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 7
Standards <strong>und</strong> Schnittstellen<br />
E<strong>in</strong>bettung <strong>in</strong> das Automatisierungskonzept<br />
Problem: Vertikale Integration erschwert<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 8
Gehobene <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong><br />
Welche Fragen s<strong>in</strong>d zu beantworten?<br />
• Gehobene Lösungen<br />
• lesen,<br />
• verarbeiten <strong>und</strong><br />
• erzeugen Daten <strong>und</strong> Information<br />
• Inputdaten / Information<br />
• Welche Daten / Information s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> welcher Qualität<br />
notwendig?<br />
• Onl<strong>in</strong>e o<strong>der</strong> Offl<strong>in</strong>e?<br />
• Wo s<strong>in</strong>d diese Daten vorhanden?<br />
• Ist diese Information immer verfügbar?<br />
• ...<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 9
Gehobene <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong><br />
Welche Fragen s<strong>in</strong>d zu beantworten?<br />
• Verarbeitung von Daten<br />
• Welche Verarbeitungsmodule gibt es?<br />
• Welche Software ist dafür notwendig?<br />
• Wo leben die Softwaremodule?<br />
• Wie werden die Funktionen <strong>in</strong> Betrieb genommen?<br />
• Wie werden die Funktionen gewartet, verbessert,<br />
verän<strong>der</strong>t?<br />
• Welche Analysemöglichkeiten gibt es?<br />
• ...<br />
Standards beantworten e<strong>in</strong>ige dieser Fragen<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 10
D<strong>in</strong> Normen zum Thema <strong>Regelung</strong>stechnik<br />
• DIN 19222 Leittechnik - Begriffe<br />
• DIN 19223 Leittechnik - Regeln für die Benennung von<br />
Messgeräten<br />
• DIN 19225 Benennung <strong>und</strong> E<strong>in</strong>stellung von Reglern<br />
• DIN 19226 <strong>Regelung</strong>stechnik <strong>und</strong> Steuerungstechnik<br />
• DIN 19227 Leittechnik, Graphische Symbole <strong>und</strong> Kennbuchstaben<br />
für die Prozessleittechnik<br />
• DIN V 19233 Leittechnik - Prozessautomatisierung -<br />
Automatisierung mit Prozessrechensystemen, Begriffe<br />
• DIN 19235 Messen, Steuern, Regeln; Meldung von<br />
Betriebszuständen<br />
• DIN 19237 Steuerungstechnik (Begriffe)<br />
• DIN 19260 pH-Messung - Allgeme<strong>in</strong>e Begriffe<br />
• DIN 19277 Grafische Symbole <strong>der</strong> Prozessleittechnik<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 11
Standards für <strong>Regelung</strong>stechniker<br />
Welche s<strong>in</strong>d von Interesse?<br />
• OSI-Modell – Gr<strong>und</strong>lage <strong>der</strong> <strong>in</strong>dustriellen<br />
Komm<strong>uni</strong>kation<br />
• Industrial Ethernet – Tausendsassa?<br />
• OPC UA – Der Alleskönner<br />
• IEC 61131 – Leitsystemeng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g leicht gemacht<br />
• ISA S88 – Ke<strong>in</strong> Batch ohne<br />
• ISA S95 – Vertikale Integration<br />
• IEC 61850 – Automation <strong>und</strong> Energie wachsen<br />
zusammen<br />
• B2MML – ISA S95 <strong>in</strong> <strong>der</strong> Praxis<br />
• ... (<strong>und</strong> viele mehr, abhgg. von <strong>der</strong> speziellen<br />
Anwendung)<br />
• H<strong>in</strong>zu kommen Sicherheitsstandards <strong>und</strong><br />
<strong>in</strong>dustriespezifische Normen etc.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 12
Das OSI Schichtenmodell<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 13<br />
OSI - Open Systems Interconnection
Warum Feldbusse?<br />
• E<strong>in</strong>sparung <strong>der</strong><br />
Verkabelung<br />
• Übertragung<br />
vielfältiger<br />
Information<br />
• Flexibilität<br />
aber<br />
• größere<br />
Komplexität<br />
Prozess<strong>in</strong>dustrie, Fertigungs<strong>in</strong>dustrie, Automobile, ...<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 14
Warum Feldbusse?<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 15<br />
Quelle: ABB
OSI – Referenzmodell<br />
Gr<strong>und</strong>lage für Feldbusse<br />
• Open Systems Interconnection Reference Model<br />
• Internationalen Organisation für Normung (ISO), 1983<br />
• Designgr<strong>und</strong>lage von Komm<strong>uni</strong>kationsprotokollen <strong>in</strong><br />
Rechnernetzen. Beschreibt sieben Schichten.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 16
OSI – Referenzmodell<br />
Die sieben Schichten<br />
• Jede Schicht erfüllt e<strong>in</strong>e bestimmte Funktion <strong>und</strong> setzt die unteren<br />
Schichten voraus.<br />
• Jede Komm<strong>uni</strong>kation hat e<strong>in</strong>e horizontale <strong>und</strong> e<strong>in</strong>e vertikale<br />
Komponente. Jede Schicht N <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em System komm<strong>uni</strong>ziert mit<br />
Schicht N des an<strong>der</strong>en Systems<br />
• Auf den Ebenen 2 bis 7 f<strong>in</strong>det e<strong>in</strong>e logische Komm<strong>uni</strong>kation statt.<br />
• Auf Ebene 1 erfolgt tatsächlich e<strong>in</strong>e physikalische Übertragung.<br />
• Datene<strong>in</strong>heiten, die zwischen zwei Peers (gleichgestellte Partner)<br />
ausgetausch werden, heißen Protocol Data Unit (PDU).<br />
• Das Modell beschreibt ke<strong>in</strong>e Realisierung, son<strong>der</strong>n nur<br />
Anfor<strong>der</strong>ungen an jede Schicht.<br />
• Es gibt daher <strong>in</strong>zwischen zahlreiche unterschiedliche<br />
Realisierungen! Nicht jede Schicht muss auch verwendet werden.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 17
OSI – Referenzmodell<br />
Schicht 7 – Anwendungsschicht<br />
• Application Layer<br />
• Die Anwendungsschicht ist die oberste <strong>der</strong> sieben<br />
hierarchischen Schichten. Sie verschafft den<br />
Anwendungen Zugriff auf das Netz (zum Beispiel für<br />
Datenübertragung, E-Mail, Virtual Term<strong>in</strong>al, Remote log<strong>in</strong><br />
etc.).<br />
• Hard-/Software auf dieser Schicht: Gateway,<br />
Protokollumwandler, Fax-zu-E-Mail-Dienste<br />
• Protokolle <strong>und</strong> Normen: ... FTP, Telnet, SMTP, HTTP, ...<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 18
OSI – Referenzmodell<br />
Schicht 6 – Darstellungsschicht<br />
Presentation Layer<br />
• Die Darstellungsschicht setzt die systemabhängige<br />
Darstellung <strong>der</strong> Daten (zum Beispiel ASCII) <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e<br />
unabhängige Form um.<br />
• Sie ermöglicht somit den syntaktisch korrekten<br />
Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Systemen.<br />
• Auch Aufgaben wie die Datenkompression <strong>und</strong> die<br />
Verschlüsselung gehören zur Schicht 6.<br />
• Die Darstellungsschicht gewährleistet, dass Daten, die von<br />
<strong>der</strong> Anwendungsschicht e<strong>in</strong>es Systems gesendet werden,<br />
von <strong>der</strong> Anwendungsschicht e<strong>in</strong>es an<strong>der</strong>en Systems<br />
gelesen werden können.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 19
OSI – Referenzmodell<br />
Schicht 5 – Komm<strong>uni</strong>kationssteuerungsschicht /<br />
Sitzungsschicht<br />
Session Layer<br />
• Die Schicht 5 sorgt für die Prozesskomm<strong>uni</strong>kation<br />
zwischen zwei Systemen. Um Zusammenbrüche <strong>der</strong><br />
Sitzung <strong>und</strong> ähnliche Probleme zu beheben, stellt die<br />
Sitzungsschicht Dienste für e<strong>in</strong>en organisierten <strong>und</strong><br />
synchronisierten Datenaustausch zur Verfügung.<br />
• Zu diesem Zweck werden Wie<strong>der</strong>aufsetzpunkte, so<br />
genannte Fixpunkte (Check Po<strong>in</strong>ts) e<strong>in</strong>geführt, an denen<br />
die Sitzung nach e<strong>in</strong>em Ausfall e<strong>in</strong>er Transportverb<strong>in</strong>dung<br />
wie<strong>der</strong> synchronisiert werden kann, ohne dass die<br />
Übertragung wie<strong>der</strong> von vorne beg<strong>in</strong>nen muss.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 20
OSI – Referenzmodell<br />
Schicht 4 – Transportschicht<br />
Transport Layer<br />
• Zu den Aufgaben <strong>der</strong> Transportschicht zählen die<br />
Segmentierung von Datenpaketen <strong>und</strong> die<br />
Stauvermeidung. Die Transportschicht bietet den<br />
anwendungsorientierten Schichten 5 bis 7 e<strong>in</strong>en<br />
e<strong>in</strong>heitlichen Zugriff, so dass diese die Eigenschaften des<br />
Komm<strong>uni</strong>kationsnetzes nicht zu berücksichtigen brauchen.<br />
• Protokolle <strong>und</strong> Normen: ... TCP, ...<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 21
OSI – Referenzmodell<br />
Schicht 3 – Vermittlungsschicht<br />
Network Layer<br />
• Die Vermittlungsschicht sorgt für das Schalten von<br />
Verb<strong>in</strong>dungen <strong>und</strong> für die Weitervermittlung von<br />
Datenpaketen.<br />
• Die Datenübertragung geht <strong>in</strong> beiden Fällen jeweils über<br />
das gesamte Komm<strong>uni</strong>kationsnetz h<strong>in</strong>weg <strong>und</strong> schließt die<br />
Wegesuche (Rout<strong>in</strong>g) zwischen den Netzknoten mit e<strong>in</strong>.<br />
• Zu den wichtigsten Aufgaben <strong>der</strong> Vermittlungsschicht<br />
zählen <strong>der</strong> Aufbau <strong>und</strong> die Aktualisierung von<br />
Rout<strong>in</strong>gtabellen <strong>und</strong> die Fragmentierung von<br />
Datenpaketen.<br />
• Protokolle <strong>und</strong> Normen: ... IP,<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 22
OSI – Referenzmodell<br />
Schicht 2 – Sicherungsschicht<br />
Data L<strong>in</strong>k Layer<br />
• Aufgabe <strong>der</strong> Sicherungsschicht ist es, e<strong>in</strong>e zuverlässige,<br />
das heißt weitgehend fehlerfreie Übertragung zu<br />
gewährleisten <strong>und</strong> den Zugriff auf das Übertragungsmedium<br />
zu regeln.<br />
• Dazu dient das Aufteilen des Bitdatenstromes <strong>in</strong> Blöcke<br />
<strong>und</strong> das H<strong>in</strong>zufügen von Folgenummern <strong>und</strong> Prüfsummen.<br />
Fehlerhafte, verfälschte o<strong>der</strong> verlorengegangene Blöcke<br />
können vom Empfänger durch Quittungs- <strong>und</strong><br />
Wie<strong>der</strong>holungsmechanismen erneut angefor<strong>der</strong>t werden.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 23
OSI – Referenzmodell<br />
Schicht 1 – Bitübertragungsschicht<br />
Physical Layer<br />
• Die Bitübertragungsschicht stellt mechanische, elektrische <strong>und</strong> weitere<br />
funktionale Hilfsmittel zur Verfügung, um physikalische Verb<strong>in</strong>dungen zu<br />
aktivieren bzw. deaktivieren, sie aufrechtzuerhalten <strong>und</strong> Bits darüber zu<br />
übertragen.<br />
• Das können zum Beispiel elektrische Signale, optische Signale (Lichtleiter,<br />
Laser), elektromagnetische Wellen (drahtlose Netze) o<strong>der</strong> Schall se<strong>in</strong>.<br />
• Auf <strong>der</strong> Bitübertragungsschicht wird die digitale Bitübertragung auf e<strong>in</strong>er<br />
Übertragungsstrecke bewerkstelligt.<br />
• Damit ist Folgendes geme<strong>in</strong>t: In Rechnernetzen werden heute Informationen<br />
zumeist <strong>in</strong> Form von Bitfolgen übertragen. Selbstverständlich s<strong>in</strong>d <strong>der</strong><br />
physikalischen Übertragungsart selbst, die Werte 0 <strong>und</strong> 1 unbekannt.<br />
• Für jedes Medium muss daher e<strong>in</strong>e Codierung dieser Werte gef<strong>und</strong>en<br />
werden, beispielsweise e<strong>in</strong> Spannungsimpuls von bestimmter Höhe o<strong>der</strong><br />
e<strong>in</strong>e Funkwelle mit bestimmter Frequenz, jeweils bezogen auf e<strong>in</strong>e<br />
bestimmte Dauer. Für e<strong>in</strong> spezifisches Netz müssen diese Aspekte präzise<br />
def<strong>in</strong>iert werden. Dies geschieht mit Hilfe <strong>der</strong> Spezifikation <strong>der</strong><br />
Bitübertragungsschicht e<strong>in</strong>es Netzes.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 24
OSI – Modell<br />
Analogie zum Briefschicken<br />
• E<strong>in</strong> Firmenmitarbeiter möchte se<strong>in</strong>em Geschäftspartner, <strong>der</strong> e<strong>in</strong>e an<strong>der</strong>e Sprache spricht, e<strong>in</strong>e<br />
Nachricht senden.<br />
• Der Mitarbeiter ist mit dem Anwendungsprozess (Application Layer - 7), <strong>der</strong> die Komm<strong>uni</strong>kation<br />
anstößt, gleichzusetzen. Er spricht die Nachricht auf e<strong>in</strong> Diktiergerät.<br />
• Se<strong>in</strong> Assistent br<strong>in</strong>gt die Nachricht auf Papier <strong>und</strong> übersetzt diese <strong>in</strong> die Fremdsprache. Der<br />
Assistent wirkt somit als Darstellungsschicht (Presentation Layer - 6).<br />
• Danach gibt er die Nachricht an den Lehrl<strong>in</strong>g, <strong>der</strong> den Versand <strong>der</strong> Nachricht verwaltungstechnisch<br />
abwickelt <strong>und</strong> damit die Sitzungsschicht (Session Layer - 5) repräsentiert.<br />
• Der Hauspostmitarbeiter (gleich Transportschicht (Transportation Layer - 4)) br<strong>in</strong>gt den Brief auf<br />
den Weg.<br />
• Dazu klärt er mit <strong>der</strong> Vermittlungsschicht (Network Layer - 3) (gleich Briefpost), welche<br />
Übertragungswege bestehen, <strong>und</strong> wählt den geeigneten aus.<br />
• Der Postmitarbeiter br<strong>in</strong>gt die nötigen Vermerke auf den Briefumschlag an <strong>und</strong> gibt ihn weiter an die<br />
Verteilstelle, die <strong>der</strong> Sicherungsschicht (Data L<strong>in</strong>k Layer - 2) entspricht.<br />
• Von dort gelangt <strong>der</strong> Brief zusammen mit an<strong>der</strong>en <strong>in</strong> e<strong>in</strong> Transportmittel wie LKW <strong>und</strong> Flugzeug, zur<br />
Verteilstelle, die für den Empfänger zuständig ist, pysikalische Schicht (Physical Layer - 1).<br />
• Auf <strong>der</strong> Seite des Empfängers wird dieser Vorgang nun <strong>in</strong> umgekehrter Reihenfolge durchlaufen,<br />
bis <strong>der</strong> Geschäftspartner die Nachricht schließlich <strong>in</strong> übersetzter Sprache auf e<strong>in</strong> Diktiergerät<br />
gesprochen vorf<strong>in</strong>det.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 25
OSI – Modell<br />
Merksätze<br />
• English (1 7) Please Do Not Throw<br />
Salami Pizza Away“<br />
• Deutsch (7 1) Alle deutschen Schüler<br />
tr<strong>in</strong>ken verschiedene Sorten Bier<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 26
OSI – Schichtenmodell<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 27
Feldbusse<br />
Realisierungen des Referenzmodelles<br />
• Profibus PA (Process Field Bus Process Automation)<br />
• Profibus DP (Process Field Bus Dezentrale Peripherie)<br />
• 1 – Physical , 2 – Data L<strong>in</strong>k, 7 – Application<br />
• Fo<strong>und</strong>ation Fieldbus (FF)<br />
• H1: 1 – Physical , 2 – Data L<strong>in</strong>k, 7 – Application<br />
• am meisten verbreitet, 31.25 kbit/s<br />
• HSE: enhanced Ethernet (high speed ethernet)<br />
• neu: 100 Mbit/s<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 28
Feldbusse<br />
Realisierungen des Referenzmodelles<br />
• Highway Addressable Remote Transducer<br />
• 1 – Physical , 2 – Data L<strong>in</strong>k, 7 – Application<br />
• HART überlagert dem analogen 4-20 mA Signal e<strong>in</strong>e<br />
hochfrequente Schw<strong>in</strong>gung (+/- 0.5 mA)<br />
Momentaner Trend: Wireless HART<br />
Lei<strong>der</strong> gibt es zwei unterschiedliche<br />
Standards, die mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong><br />
kämpfen: ISA 100 & WirelessHART.<br />
E<strong>in</strong>e E<strong>in</strong>igung ist nicht abzusehen.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 29
TCP/IP<br />
... ist ke<strong>in</strong>e Realisierung <strong>der</strong> OSI – Referenz<br />
Es gibt e<strong>in</strong> eigenes TCP/IP – Referenzmodell!<br />
Transmission Control Protocol / Internet Protocol (TCP/IP)<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 30
New trend<br />
Industrial Ethernet<br />
• Industrial Ethernet ist <strong>der</strong> Oberbegriff für alle Bestrebungen, den<br />
Ethernet-Standard für die Vernetzung von Geräten, die <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>in</strong>dustriellen Fertigung e<strong>in</strong>gesetzt werden, nutzbar zu machen.<br />
• Da Unternehmen üblicherweise bereits über e<strong>in</strong> Ethernet-LAN<br />
verfügen, ist es mit Industrial Ethernet möglich, <strong>in</strong> das vorhandene<br />
LAN auch Geräte mit e<strong>in</strong>zubeziehen, die für die Steuerung <strong>und</strong><br />
Kontrolle von Produktionsprozessen benötigt werden.<br />
• Im Rahmen von Industrial Ethernet werden Switches, Hubs <strong>und</strong><br />
Medienkonverter geschaffen, die an <strong>in</strong>dustrielle<br />
Umgebungsbed<strong>in</strong>gungen angepasst s<strong>in</strong>d (35mm-DIN-Hutschiene,<br />
24 V DC, EMV-Störsicherheit, erhöhte Schutzart (Schutz gegen Staub,<br />
Spritzwasser usw.), Vorkehrungen zur Ausfallsicherheit)<br />
• Trotz vieler Bemühungen hat man es (noch?) nicht geschafft, e<strong>in</strong>en<br />
e<strong>in</strong>heitlichen Standard zu def<strong>in</strong>ieren, <strong>der</strong> es ermöglicht, Geräte<br />
verschiedener Systeme geme<strong>in</strong>sam zu betreiben.<br />
• Industrielle Beispiele: EtherCAT, ETHERNET/IP, Ethernet Powerl<strong>in</strong>k,<br />
Industrial Ethernet, PROFINET IO, SafetyNET...<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 31
New trend<br />
Industrial Ethernet – verschiedene Standards<br />
• In den unteren Schichten gibt es Geme<strong>in</strong>samkeiten<br />
Trotz <strong>der</strong> unterschiedlichen Ansätze für die Echtzeitkomm<strong>uni</strong>kation gibt<br />
es bei allen Konzepten e<strong>in</strong>en geme<strong>in</strong>samen Kern. Er umfasst die<br />
etablierten Standards <strong>der</strong> Ebenen 1-2, wie die Ethernet-<br />
Übertragungstechnik <strong>und</strong> das Buszugriffsverfahren (Layer 2). Darüber<br />
h<strong>in</strong>aus unterstützen alle Systeme <strong>in</strong>dustrielle IT-Funktionen wie<br />
Webserver, File-Transfer <strong>und</strong> E-Mail-Versand. Für diese IT-Funktionen<br />
werden e<strong>in</strong>heitlich das Internet-Protokoll (Layer 3) sowie das TCP- <strong>und</strong><br />
UDP-Protokoll (Ebene 4) angewendet. Darüber h<strong>in</strong>aus kommen<br />
weitere Standards <strong>der</strong> IT-Welt wie das Hypertext-Transfer-Protokoll<br />
(http) <strong>und</strong> das File-Transfer-Protokoll (FTP) zum E<strong>in</strong>satz.<br />
• Unterschiede<br />
Die Unterschiede zwischen den e<strong>in</strong>zelnen Systemen liegen <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
gr<strong>und</strong>legenden Protokollarchitektur, den Anwendungsprotokollen <strong>in</strong><br />
<strong>der</strong> Ebene 7, den Objektmodellen sowie den Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Konzepten<br />
<strong>und</strong> Tools.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 32
OPC –OLE for Process Control<br />
Wie kommen die Daten zum<br />
Benutzer?<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 33
Hauptziel von OPC:<br />
Die Daten aus dem Feld zum Benutzer zu br<strong>in</strong>gen<br />
Anwendung:<br />
Prozess-<br />
Leitsysteme<br />
Klassische<br />
OPC<br />
(entwickelt <strong>in</strong><br />
den 1990er<br />
Jahren)<br />
OPC UA<br />
(Unified<br />
Architecture)<br />
(State-of-theart)<br />
OPC – OLE for Process Control<br />
OLE – Obejct L<strong>in</strong>k<strong>in</strong>g and Embedd<strong>in</strong>g (Microsoft Technology)<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 34
Was ist OPC?<br />
• Mit OPC wurde e<strong>in</strong>e standardisierte Software-Schnittstelle<br />
geschaffen, die den Datenaustausch zwischen<br />
Anwendungen unterschiedlichster Hersteller <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
Automatisierungstechnik ermöglichen sollte.<br />
• Inzwischen s<strong>in</strong>d ca. 500 Firmen Mitglied <strong>der</strong> OPC<br />
Fo<strong>und</strong>ation.<br />
• Diese sorgt dafür, dass Entwicklungen getested werden<br />
<strong>und</strong> funktionieren. OPC ist <strong>in</strong>sofern e<strong>in</strong>e Erfolgsgeschichte!<br />
• OPC wird dort e<strong>in</strong>gesetzt, wo Sensoren, Regler <strong>und</strong><br />
Steuerungen verschiedener Hersteller e<strong>in</strong> geme<strong>in</strong>sames,<br />
flexibles Netzwerk bilden.<br />
• Welche Daten?<br />
• Echtzeitmesswerte, historische Messwerte, Alarme &<br />
Events, …<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 35
Prozessleitsysteme (<strong>in</strong> a Nutshell)<br />
HMI (Human Mach<strong>in</strong>e Interface)<br />
<strong>und</strong> weitere Anwendungen<br />
Server<br />
Controller<br />
Geräte<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 36
Wo wird OPC e<strong>in</strong>gesetzt?<br />
HMI (Human Mach<strong>in</strong>e Interface)<br />
<strong>und</strong> weitere Anwendungen<br />
Bedienen &<br />
beobachten<br />
Server<br />
OPC<br />
Controller<br />
Proprietär<br />
Proprietär<br />
Echtzeitregelung<br />
Geräte<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 37
OPC Daten<br />
Beispiel <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Bedienschirm<br />
Alarme<br />
Trends<br />
(Historische Daten)<br />
Echtzeitdaten<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 38
Classische OPC<br />
Motivation<br />
• Problem<br />
Anwendung X ...<br />
Anwendung Y<br />
• Lösung OPC<br />
Anwendung<br />
Anwendung<br />
OPC<br />
OPC<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 39<br />
PLC<br />
DCS<br />
Controller<br />
• Datenquellen (controller, Geräte,<br />
Datenbanken, …) von verschiedenen<br />
Herstellern werden <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er<br />
Anwendung verwendet<br />
• Jede Datenquelle hat proprietäre<br />
Schnittstellen<br />
• Integration ist notwendig, um e<strong>in</strong>e<br />
Anlage überblicken zu können<br />
• Klassische Lösung: Aufwändige<br />
Punkt-zu-Punkt Verb<strong>in</strong>dungen<br />
PLC<br />
DCS<br />
• Automationsanwendungen<br />
• 2500+ Firmen<br />
• 15000+ OPC Produkte<br />
• OPC Fo<strong>und</strong>ation<br />
• Standard Organisation<br />
• Mehr als 500 Mitgliedsfirmen<br />
Controller
Classic OPC Specifications<br />
Die Familie ist ständig gewachsen<br />
Data Access Alarms and Events Historical Data Access<br />
Etc. etc.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 40
OPC ermöglicht e<strong>in</strong>e Client Servier Architektur<br />
Dies ist <strong>in</strong> <strong>der</strong> Automatisierung sehr natürlich<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 41
OPC DA (Data Access)<br />
OPC DA Client<br />
Browse<br />
Read<br />
Write<br />
Create Group<br />
OPC DA Server<br />
Add Items<br />
On Data Change<br />
Spezifiziert<br />
Totband <strong>und</strong><br />
Aktualisierungsrate<br />
Nur wenn<br />
Daten sich<br />
verän<strong>der</strong>t<br />
haben.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 42
OPC DA (Data Access)<br />
Zweig<br />
E<strong>in</strong>fache<br />
Hierarchie<br />
• Es werden nur Werte<br />
geschrieben<br />
• Ke<strong>in</strong>e Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong><br />
Struktur<br />
• Zweige unverän<strong>der</strong>t<br />
• Server kann jedoch<br />
herstellerspezifische<br />
Eigenschaften haben<br />
Item<br />
Eigenschaften<br />
Je<strong>der</strong> Wert hat<br />
die<br />
Eigenschaft<br />
‘Zeitstempel’<br />
<strong>und</strong> ‘Qualität’<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 43
OPC AE (Alarms and Events)<br />
OPC A&E Client<br />
Set Filter<br />
Create Event<br />
Subscription<br />
Browse<br />
On Event<br />
AckCondition<br />
Refresh<br />
Status aller<br />
Alarme, die<br />
abonniert<br />
s<strong>in</strong>d<br />
OPC A&E Server<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 44
OPC HDA (Historical Data Access)<br />
OPC HDA Client<br />
Browse<br />
Read<br />
Update<br />
Advice<br />
On Data Change<br />
• Lese<br />
• Rohdaten<br />
• Aggregierte Daten<br />
• Verschiedene<br />
aggregierte Funktionen<br />
• Optionen, um das<br />
Zeit<strong>in</strong>tervall zu<br />
spezifizieren<br />
OPC HDA Server<br />
Alte History<br />
<strong>und</strong> neue<br />
Werte<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 45
Technologie-Basis<br />
COM / DCOM<br />
• Component Object Model (COM)<br />
• Distributed COM (DCOM)<br />
• Object L<strong>in</strong>k<strong>in</strong>g and Embedd<strong>in</strong>g (OLE)<br />
• OLE for Process Control (OPC)<br />
Remote COM<br />
Local COM<br />
deployment Component Model<br />
Remote Node<br />
Remote Client<br />
Local Client<br />
IMyInterface<br />
LocalNode<br />
IUnknown<br />
IMyInterface<br />
COM Server<br />
• DCOM wurde von Microsoft<br />
def<strong>in</strong>iert, um die Technologie COM<br />
über e<strong>in</strong> Netzwerk komm<strong>uni</strong>zieren<br />
zu lassen.<br />
• COM ist e<strong>in</strong>e Plattformtechnik, um<br />
unter dem Betriebssystem<br />
W<strong>in</strong>dows Interprozesskomm<strong>uni</strong>kation<br />
<strong>und</strong> dynamische<br />
Objekterzeugung zu ermöglichen.<br />
• COM-fähige Objekte s<strong>in</strong>d<br />
sprachunabhängig <strong>und</strong> können<br />
sowohl DLLs als auch ausführbare<br />
Programme se<strong>in</strong>.<br />
• Jede COM-Komponente bietet e<strong>in</strong><br />
Interface an.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 46
Zusammenfassung<br />
Klassisches OPC<br />
Verschiedene Daten <strong>in</strong> Leitsystemen<br />
• Aktuelle Messdaten<br />
• Alarme <strong>und</strong> Meldungen<br />
• Historische Daten (<strong>und</strong> Meldungen)<br />
Klassisches OPC<br />
• OPC DA, OPC A&E, OPC HDA<br />
• Schnittstellendef<strong>in</strong>ition basiert auf COM/DCOM<br />
• Alle wichtigen Hersteller <strong>in</strong> <strong>der</strong> Automatisierung<br />
unterstützen OPC<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 47
OPC <strong>und</strong> dann?<br />
Warum die Entwicklung weiterg<strong>in</strong>g<br />
• Häufige Konfigurationsprobleme von DCOM<br />
• B<strong>in</strong>dung an das Betriebssystem W<strong>in</strong>dows<br />
• Ke<strong>in</strong>e „echte“ Security<br />
• Ke<strong>in</strong>e Kontrolle, was passiert (COM/DCOM ist e<strong>in</strong>e<br />
Blackbox, Entwickler haben ke<strong>in</strong>en Quellcode <strong>und</strong> s<strong>in</strong>d<br />
Fehlern ausgeliefert)<br />
• Die verschiedenen OPC Teile (DA, HDA, A&E, …) s<strong>in</strong>d<br />
nicht wirklich <strong>in</strong>tegriert<br />
• Die IT-Welt hat sich weiterentwickelt, <strong>der</strong> Erfolg von OPC<br />
soll sich auf an<strong>der</strong>e Anwendungen ausbreiten<br />
Entwicklung <strong>der</strong> OPC Unified Architecture (2000er Jahre)<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 48
Von klassischer OPC zu<br />
Problem<br />
Anwendung X ...<br />
PLC<br />
• Lösung OPC<br />
Anwendung<br />
PLC<br />
OPC<br />
DCS<br />
• Data Access (DA)<br />
DCS<br />
AnwendungY<br />
• Historical Data Access (HDA)<br />
• Alarms & Events (A&E)<br />
Controller<br />
Anwendung<br />
OPC<br />
• Anwendung <strong>in</strong> <strong>der</strong> Automatisierung<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 49<br />
• 2500+ Firmen<br />
• 15000+ OPC Produkte<br />
Controller<br />
OPC Unified Architecture<br />
DCOM<br />
geht<br />
Web<br />
Services<br />
(SOA)<br />
Bessere<br />
Integration<br />
(DA, HAD,<br />
AE)<br />
Informationsmodellierung<br />
.NET<br />
neue<br />
Komm<strong>uni</strong>kationsarchitektur<br />
OPC UA<br />
Interoperabilität<br />
mit Nicht-<br />
Microsoft<br />
Architekturen<br />
Neue<br />
Funktionen<br />
Strukturen än<strong>der</strong>n<br />
etc.<br />
Weitere<br />
Anwendungen<br />
MES, ERP,<br />
Geräte<br />
MES – Manufactur<strong>in</strong>g Execution System<br />
ERP – Enterprise Resource Plann<strong>in</strong>g<br />
SOA – Service-Oriented Architecture
Wo wird UPC UA verwendet?<br />
HMI (Human Mach<strong>in</strong>e Interface)<br />
<strong>und</strong> weitere Anwendungen<br />
Bedienen &<br />
Beobachten<br />
Server<br />
OPC UA<br />
Controller<br />
OPC UA<br />
OPC UA<br />
Proprietary<br />
Ke<strong>in</strong>e Echtzeit<br />
Echtzeit<br />
Geräte<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 50
Was ist OPC UA?<br />
Architektur<br />
OPC Unified Architecture ist e<strong>in</strong><br />
<strong>in</strong>dustrielles M2M-<br />
Komm<strong>uni</strong>kationsprotokoll. OPC UA<br />
unterscheidet sich erheblich von<br />
se<strong>in</strong>en Vorgängern, <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e<br />
durch die Fähigkeit, Masch<strong>in</strong>endaten<br />
(Prozesswerte, Messwerte, Parameter<br />
usw.) nicht nur zu transportieren,<br />
son<strong>der</strong>n auch masch<strong>in</strong>enlesbar<br />
semantisch zu beschreiben.<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 51
Was ist OPC UA?<br />
• Komm<strong>uni</strong>kations<strong>in</strong>frastruktur<br />
• Sicher, <strong>in</strong>teroperabel, zuverlässig<br />
• Hochperformant, skalierbar<br />
• Plattform-unabhängig<br />
• Technologie: Dienste-orientiert (SOA)<br />
• Kle<strong>in</strong>e Menge an e<strong>in</strong>fachen Diensten<br />
• 37 Operations vs.<br />
fast 70 Methoden <strong>in</strong> OPC DA<br />
• Lauffähig auf Geräten, Controllern, DCS, MES, ERP<br />
• Informationsmodellierung<br />
• Reiche <strong>und</strong> erweiterbare Typenmodelle (objekt-orientiert)<br />
• Typenmodell sichtbar im Adressenraum<br />
• Skalierbar:<br />
Für e<strong>in</strong>fache wie komplexe Modelle<br />
• Verschiedene Standards für Informationsmodelle basieren<br />
auf OPC UA<br />
• Information Model Standards will base on OPC UA<br />
• ISA S95, Geräte<strong>in</strong>tegration (FDI*), …<br />
Motor Starter 01<br />
Parameter Set<br />
Control Function<br />
Local Operation<br />
Multifunction Input DIO<br />
Motor Current Low<br />
Motor Current High<br />
Number of Starts<br />
Configuration<br />
Motor Current Low<br />
Motor Current High<br />
Service Info<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 52<br />
*FDI – Field Device Integration
Information Model Standards<br />
In discussion:<br />
OPC UA hat das<br />
Zeug, an<strong>der</strong>e<br />
Standards zu<br />
vere<strong>in</strong>igen (<strong>und</strong> zeigt<br />
dies auch schon (siehe<br />
FDI*-Initiative)<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 53<br />
*Field Device Integration
Generischer OPC UA Client<br />
Aktuelle<br />
Daten<br />
Browsen<br />
Meta Daten<br />
(Type<br />
Def<strong>in</strong>ition)<br />
Meta Daten<br />
(Referenz<br />
Typen)<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 54
Schlussfolgerung<br />
OPC Unified Architecture<br />
… <strong>und</strong> die Geschichte ist noch lang<br />
nicht vorbei!<br />
… Herkömmliche OPC Anwendungen<br />
werden über Wrapper problemlos<br />
<strong>in</strong>tegriert.<br />
Modellierungsdaten<br />
• Objekt-orientierte Techniken<br />
• Typenmodell sichtbar im Addressraum<br />
• Echtzeitdaten, Alarme <strong>und</strong> History <strong>in</strong>tegriert<br />
• Informationsstandards verwenden OPC UA<br />
Datenzugang<br />
• Kle<strong>in</strong>e Mengen e<strong>in</strong>facher Dienste<br />
• E<strong>in</strong>fache ‚browse‘ <strong>und</strong> ‚read‘ Operationen bis<br />
h<strong>in</strong> zu komplexen Queries <strong>und</strong> Subscriptions<br />
Architktur<br />
• Von XML WebServices zu schnellem b<strong>in</strong>ären<br />
TCP mit e<strong>in</strong>er Serverimplementierung<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 55
IEC 61131<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 56
IEC 61131<br />
Programmierung von speicherprogrammierbaren<br />
Steuerungen (SPS)<br />
• engl. Programmable Logic Controller (PLC)<br />
• Die Norm standardisiert die Programmierung von SPS<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 57
IEC 61131<br />
Beispiele<br />
‚Assembler‘<br />
• Anweisungsliste<br />
‚Schaltplan‘<br />
• Kontaktplan<br />
• Funktionsbauste<strong>in</strong><br />
‚Simul<strong>in</strong>k‘<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 58
IEC 61131<br />
Beispiele<br />
• Ablaufplan<br />
‚Zustandsdiagramm‘<br />
• Strukturierter Text<br />
‚Programmier-<br />
(hoch)sprache‘<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 59
IEC 61131<br />
E<strong>in</strong>ige Merkmale<br />
• Die Sprachen IL <strong>und</strong> ST s<strong>in</strong>d textbasiert, die an<strong>der</strong>en drei<br />
Sprachen (LD, FBD, SFC) grafisch.<br />
• In allen Sprachen können Funktionen <strong>und</strong> Funktionsblöcke<br />
verwendet werden, die <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Sprachen<br />
geschrieben o<strong>der</strong> vom SPS-Hersteller <strong>in</strong> Form von<br />
Software-Bibliotheken ohne Quelltext zur Verfügung<br />
gestellt werden.<br />
• Je nach Leistungsfähigkeit <strong>der</strong> SPS bzw. des<br />
Programmiergeräts müssen nicht alle Sprachen zur<br />
Verfügung stehen.<br />
• Die Umwandlung zwischen Sprachen ist herstellerabhängig;<br />
also nicht o<strong>der</strong> nur mit E<strong>in</strong>schränkungen möglich.<br />
• Viele Programmierumgebungen bieten auch die<br />
Möglichkeit, weitere Sprachen wie z. B. C zu verwenden.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 60
IEC 61850<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 61
IEC 61850<br />
Übertragungsprotokoll für die Schutz- <strong>und</strong> Leittechnik <strong>in</strong><br />
elektrischen Schaltanlagen<br />
• Für die Schutz- <strong>und</strong> Leittechnik <strong>in</strong> elektrischen Schaltanlagen<br />
<strong>der</strong> Mittel- <strong>und</strong> Hochspannungstechnik<br />
(Stationsautomatisierung)<br />
• Das Protokoll verwendet TCP/IP als<br />
Basisübertragungsprotokoll <strong>und</strong> die Manufactur<strong>in</strong>g<br />
Messag<strong>in</strong>g Specification (MMS) def<strong>in</strong>iert die klassische<br />
Client-Server-Komm<strong>uni</strong>kation.<br />
• Zusätzlich s<strong>in</strong>d zwei sogenannte Peer-to-Peer-Dienste für die<br />
echtzeitfähige Komm<strong>uni</strong>kation beschrieben, die direkt auf<br />
dem Ethernet-Protokoll aufsetzen:<br />
• Übertragung schneller Abtastwerte<br />
• Übertragung von GOOSE*-Nachrichten<br />
• Strikt objekt-orientiert<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 62<br />
GOOSE - Generic Object Oriented Substation Events
IEC 61850<br />
Was ist das?<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 63
Anwendungsbereich: Schaltanlagen<br />
•Freiluft-Schaltanalge von BBC <strong>in</strong> Santiage de Chile, 220 kV<br />
E<strong>in</strong>e Schaltanlage (engl. switchgear)<br />
ist e<strong>in</strong>e Anlage, <strong>in</strong> <strong>der</strong> elektrische<br />
Energie verteilt o<strong>der</strong> umgespannt wird.<br />
•Gasisolierte Schaltanlage von DECHS, 123 kV<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 64
IEC 61850<br />
Historie<br />
• Vielfältige Komm<strong>uni</strong>kationsprotokolle für Unterstationsautomatisierung<br />
existieren. Diese be<strong>in</strong>halten viele verschiedene proprietäre Protokolle<br />
mit eigenen Komm<strong>uni</strong>kationsschnittstellen.<br />
• In Unterstationen wird e<strong>in</strong>e strenge For<strong>der</strong>ung nach Interoperabilität<br />
erhoben (Sicherheit). Der 61850 Standard wurde von vielen Firmen<br />
<strong>und</strong> Organisationen geme<strong>in</strong>sam entwickelt.<br />
• Die Ziele waren:<br />
• E<strong>in</strong> e<strong>in</strong>ziges Protokoll für die gesamte Unterstation, das<br />
verschiedenste Daten modellieren kann.<br />
• A s<strong>in</strong>gle protocol for complete substation consi<strong>der</strong><strong>in</strong>g model<strong>in</strong>g of<br />
different data required for substations.<br />
• För<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Interoperabilität verschiedensten Hersteller<br />
• E<strong>in</strong>e Methode zum Speichern kompletter Daten.<br />
• Möglichkeit, vollständiges Testen für Geräte, die dem Standard<br />
entsprechen zu def<strong>in</strong>ieren.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 65
Elektrische Integration <strong>in</strong>dustrieller Systeme<br />
Process & Power Workplace<br />
Control Room<br />
Client-Server Network<br />
Control<br />
Control Network<br />
Fieldbus<br />
Controller<br />
Aspect-Server<br />
Connectivity Server<br />
AC800M – IEC 61850<br />
<br />
vertical <strong>in</strong>tegration<br />
(MMS)<br />
<br />
IEC 61850 station bus<br />
IED – Intelligent<br />
Electronic Device<br />
Instruments<br />
LV Switchgear<br />
Drives<br />
Motor starters<br />
Protection &<br />
Control IEDs<br />
Process<br />
Process<br />
Instrumentation<br />
Process<br />
LV Electrification<br />
Substation<br />
Automation<br />
Power Management<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 66<br />
Process Automation based on one<br />
open standard (IEC 61784, Prof<strong>in</strong>et)<br />
Power Automation based on<br />
one open standard (IEC 61850)
ISA S88 & S95<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 67
ISA S88<br />
Chargenorientierte Fahrweise<br />
• ANSI/ISA-88, ist e<strong>in</strong>e Norm für die chargenorientierte<br />
Fahrweise (Batch Control), die häufig als S88 o<strong>der</strong> SP88<br />
bezeichnet wird.<br />
• Sie ist e<strong>in</strong>e Designphilosophie für Software, Ausrüstung<br />
<strong>und</strong> den Verfahrensablauf.<br />
• Teil 1 wurde 1995 durch ISA freigegeben.<br />
• ISA-88 wurde durch die IEC als IEC 61512 übernommen.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 68
ISA S88<br />
Chargenorientierte Fahrweise<br />
Modelle<br />
• Prozessmodell<br />
• Die Norm def<strong>in</strong>iert e<strong>in</strong> Prozessmodell (process model) das e<strong>in</strong>en Prozess (process)<br />
enthält, welcher aus e<strong>in</strong>er geordneten Menge von Prozessabschnitten (process<br />
stages) besteht, welche aus e<strong>in</strong>er geordneten Menge von Prozessoperationen<br />
(process operations) bestehen, welche aus e<strong>in</strong>er geordneten Menge von<br />
Prozessschritten (process actions) bestehen.<br />
• Physisches Modell<br />
• Das Physische Modell (physical model) beg<strong>in</strong>nt mit dem Unternehmen (enterprise),<br />
welches e<strong>in</strong> Werk (site) enthalten muss, welches Anlagenkomplexe (areas) enthalten<br />
kann, welche Anlagen (process cells) enthalten können, welche e<strong>in</strong>e Teilanlage (<strong>uni</strong>t)<br />
enthalten muss, die Technische E<strong>in</strong>richtung (equipment modules) enthalten können,<br />
die E<strong>in</strong>zelsteuerung (control modules) enthalten können.<br />
• Modell <strong>der</strong> Ablaufsteuerung<br />
• Das Modell <strong>der</strong> Ablaufsteuerung (procedural control model) besteht aus<br />
Rezeptprozeduren (recipe procedures), bestehend aus e<strong>in</strong>er geordneten Menge von<br />
Teilprozedur (<strong>uni</strong>t procedures), bestehend aus e<strong>in</strong>er geordneten Menge von<br />
Operation (operations), bestehend aus e<strong>in</strong>er geordneten Menge von Funktion<br />
(phases). E<strong>in</strong>ige Ebenen können entfallen.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 69
ISA S88<br />
Chargenorientierte Fahrweise<br />
Rezepte<br />
• Es gibt verschiedene Rezepttypen:<br />
• Verfahrensrezept (general recipe): generelles Rezept für das gesamte<br />
Unternehmen<br />
• Werksrezept (site recipe): Rezept für den Standort<br />
• Gr<strong>und</strong>rezept (master recipe) hängt von den E<strong>in</strong>richtungen (Equipment) des<br />
Werks ab<br />
• Steuerrezept (control recipe).<br />
• Weitere Modelle <strong>und</strong> Funktionen<br />
• Neben strukturellen Def<strong>in</strong>itionen <strong>und</strong> Modellen zur Chargensteuerung<br />
bietet ISA-88 auch Funktionen <strong>und</strong> Modelle zu:<br />
• Steuerungsaktivitäten (Control Activities)<br />
• Rezeptverwaltung (Recipe Management)<br />
• Produktionsplanung <strong>und</strong> Disposition (Production Plann<strong>in</strong>g and Schedul<strong>in</strong>g)<br />
• Produktions<strong>in</strong>formationsverwaltung (Production Information Management)<br />
• Prozesslenkung (Process Management)<br />
• Teilanlagenüberwachung (Unit Supervision)<br />
• Prozesssteuerung (Process Control)<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 70
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 71
ISA S95<br />
Erweiterung <strong>der</strong> S88<br />
• ANSI/ISA-95 ist e<strong>in</strong>e Norm für die Integration von<br />
Unternehmens- <strong>und</strong> Betriebsleitebene, die von <strong>der</strong> ISA<br />
herausgegeben wurde.<br />
• ISA-95 basiert auf ISA-88, erweitert diese von <strong>der</strong><br />
Prozessleittechnik für den Batchbetrieb auf die<br />
Betriebsleittechnik, die auch für diskrete <strong>und</strong> kont<strong>in</strong>uierliche<br />
Fertigung anwendbar ist.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 72
Betriebsleitebene<br />
Manufactur<strong>in</strong>g Execution<br />
Plann<strong>in</strong>g Execution Monitor<strong>in</strong>g Integration<br />
Based on: ARC CPM World-Wide Outlook 2011, ARC Advisory Group<br />
Standardize & Integrate<br />
• ANSI ISA S95<br />
• Bus<strong>in</strong>ess Process<br />
Modell<strong>in</strong>g<br />
• Service-oriented<br />
architecture<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 73
ISA S95 – Purdue Reference Model<br />
Production<br />
Schedul<strong>in</strong>g<br />
(2.0)<br />
Or<strong>der</strong><br />
Process<strong>in</strong>g<br />
(1.0)<br />
Pack Out Schedule<br />
Product Cost<br />
Account<strong>in</strong>g<br />
(8.0)<br />
Product<br />
Shipp<strong>in</strong>g Adm<strong>in</strong><br />
(9.0)<br />
Confirm to ship<br />
Release to ship<br />
Material and<br />
Energy Control<br />
(4.0)<br />
Short Term Material<br />
and Energy Requirements<br />
Material and Energy<br />
Inventory<br />
Production<br />
Control<br />
(3.0)<br />
Process Data<br />
In Process Waiver<br />
Request<br />
Product<br />
Inventory Control<br />
(7.0)<br />
Procurement<br />
(5.0)<br />
Ma<strong>in</strong>tenance Standards<br />
and Methods<br />
Ma<strong>in</strong>tenance Requests<br />
Quality<br />
Assurance<br />
(6.0)<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 74<br />
Ma<strong>in</strong>tenance<br />
Management<br />
(10.0)<br />
Research<br />
Development<br />
and Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />
Market<strong>in</strong>g<br />
& Sales<br />
Theodore J. Williams, The Purdue Enterprise Reference Model, A Technical Guide for CIM Plann<strong>in</strong>g and Implementation, 1992, ISA, ISBN 1-55617-265-6
Bus<strong>in</strong>ess to Manufactur<strong>in</strong>g Markup<br />
Language<br />
B2MML<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 75
B2MML<br />
E<strong>in</strong>e Realisierung des S95 Standards<br />
• B2MML ist e<strong>in</strong>e XML-Implementierung <strong>der</strong> ANSI/ISA 95<br />
Standard-Familie (ISA-95), <strong>in</strong>ternational bekannt unter <strong>der</strong><br />
Bezeichnung ISO/IEC 62264. B2MML besteht aus e<strong>in</strong>em<br />
Satz von Def<strong>in</strong>itionen <strong>der</strong> ISA-95 Datentypen <strong>in</strong> Form von<br />
XML Schemata.<br />
• B2MML ist als geme<strong>in</strong>sames Datenformat für die Kopplung<br />
zwischen Enterprise Resource Plann<strong>in</strong>g (ERP) <strong>und</strong><br />
Materialwirtschaft (supply cha<strong>in</strong>) zur Fertigungsebene<br />
ausgelegt.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 76
Beispiel<br />
B2MML für Produktionsfe<strong>in</strong>planung<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 77
Beispiel<br />
B2MML für Produktionsfe<strong>in</strong>planung<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 78
Beispiel<br />
B2MML für Produktionsfe<strong>in</strong>planung<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 79
Beispiel<br />
B2MML für Produktionsfe<strong>in</strong>planung<br />
E<strong>in</strong>e <strong>der</strong> ersten<br />
Realisierungen <strong>der</strong> S95 <strong>in</strong><br />
B2MML <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
Prozess<strong>in</strong>dstrie (ABB).<br />
Frühere Realisierungen<br />
waren meist aus <strong>der</strong><br />
Fertigung.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 80
Zusammenfassung<br />
• Standards s<strong>in</strong>d omnipräsent<br />
• Standards s<strong>in</strong>d hilfreich – meistens<br />
• Standards s<strong>in</strong>d unvermeidbar<br />
• Standards werden zunehmend vere<strong>in</strong>heitlicht <strong>und</strong> somit<br />
zunehmend hilfreich<br />
• Standards ermöglichen die Konzentration auf<br />
Kernaufgaben<br />
• Standards sollten aktiv verwendet werden<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 81
Literatur<br />
• B.Scholten. The Road to Integration – A Guido to Apply<strong>in</strong>g the ISA-95<br />
Standard <strong>in</strong> Manufactur<strong>in</strong>g. ISA, 2007.<br />
• ISA – International Society of Automation. ISA-95: the <strong>in</strong>ternational<br />
standard for the <strong>in</strong>tegration of enterprise and control systems. Part I-V.<br />
www.isa-95.com.<br />
• M. Adams et al. DIN EN 62264. Die neue Norm zur Interoperabilität von<br />
Produktion <strong>und</strong> Unternehmensführung – Teil 1.<br />
Automatisierungstechnische Praxis atp, Heft 5, 52 – 57, 2007.<br />
• M. Adams et al. DIN EN 62264. Die neue Norm zur Interoperabilität von<br />
Produktion <strong>und</strong> Unternehmensführung – Teil 2.<br />
Automatisierungstechnische Praxis atp, Heft 6, 58 – 64, 2007.<br />
• ARC Advisory Group. The Value Proposition for Content Standards. ARC<br />
Insights, September 2007. (www.arcweb.com)<br />
• T. Sauter, Integration Aspects <strong>in</strong> Automation - a Technology Survey, 10th<br />
IEEE International Conference on Emerg<strong>in</strong>g Technologies and Factory<br />
Automation Proceed<strong>in</strong>gs Vol. 2, 2005, pp. 255 - 263.<br />
• Wolfgang Mahnke, Stefan-Helmut Leitner, Matthias Damm: OPC Unified<br />
Architecture. Spr<strong>in</strong>ger Verlag, 2009; englisch, ISBN 978-3-540-68898-3<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 82
Literatur – Webl<strong>in</strong>ks<br />
• http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_<strong>der</strong>_DIN-Normen<br />
• OPC<br />
• http://de.wikipedia.org/wiki/OPC<br />
• http://de.wikipedia.org/wiki/OLE_for_Process_Control<br />
• http://www.soft<strong>in</strong>g.com/home/de/pdf/ia/professional-article/opc/2005/0508_opc.pdf<br />
• OPC UA<br />
• http://de.wikipedia.org/wiki/OPC_Unified_Architecture<br />
• IEC 61131 / DIN EN 61131<br />
• http://de.wikipedia.org/wiki/IEC_61131<br />
• OSI Schichtenmodell<br />
• http://de.wikipedia.org/wiki/OSI-Schichtenmodell<br />
• IEC 61850 / DIN EN 61850<br />
• http://de.wikipedia.org/wiki/IEC_61850<br />
• ISA S95<br />
• http://en.wikipedia.org/wiki/IEC_62264<br />
• http://en.wikipedia.org/wiki/ANSI/ISA-95<br />
• http://www.isa-95.com<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 83
Kontakt<br />
Dr. Alexan<strong>der</strong> Horch<br />
Automation Department<br />
ABB Forschungszentrum<br />
Segelhofstrasse 1 K<br />
CH-5405 Baden-Dättwil<br />
Phone: +41 58 58 68107<br />
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Email: alexan<strong>der</strong>.horch@ch.abb.com<br />
L<strong>in</strong>ks<br />
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ABB Technologie: www.abb.com<br />
About ABB Technology<br />
Forschungszentrum Schweiz:<br />
http://www.abb.ch/cawp/chabb123/bd361b8e73968949c1257337002e0d88.aspx<br />
Forschungszentrum Deutschland:<br />
http://www.abb.de/forschung<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 84
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