Collaborative Prozessleitsysteme

Das Gehirn der Produktion

von Dr.–Ing. Martin Hollender

Prozessleitsysteme verknüpfen Mess- und Stellgeräte mit den zur Steuerung und Überwachung verfahrenstechnischer Prozesse notwendigen Algorithmen und Automatisierungsprogrammen. Dem Prozessleitsystem kommt eine Schlüsselrolle zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit einer Produktionsanlage zu. Es verzahnt die Produktion mit betriebswirtschaftlichen Anwendungen und bietet eine wichtige Plattform für kontinuierliche Verbesserungsprozesse und die Zusammenarbeit der verschiedenen Domänenexperten.

In den 50er-Jahren wurde damit begonnen, Computer zur Steuerung petrochemischer Anlagen einzusetzen. Seither hat sich der Begriff Prozessleitsystem (englisch Distributed Control System, DCS) etabliert. 2002 hat das Beratungsunternehmen ARC den Begriff „Collaborative Process Automation System“ (CPAS) definiert, um den inzwischen erreichten Stand der Technik begrifflich vom althergebrachten DCS abgrenzen zu können [1]. Das Wort „Collaborative“ drückt dabei aus, dass ein Leitsystem keine isolierte Insellösung mehr sein kann, sondern integraler Bestandteil eines komplexen Umfelds ist. Um erfolgreich produzieren zu können, müssen Anlagenfahrer, Wartungs- und Produktionstechniker, Prozess- und Anlagenexperten, Kaufleute sowie Zulieferer möglichst reibungslos miteinander kooperieren können. Der Standard ISA-95 (IEC 62264) modelliert typische dafür notwendige Funktionen und die Schnittstellen zwischen ihnen. Betriebswirtschaftliche Software (ERP Enterprise Resource Planning) wird der Ebene 4 zugeordnet, die darunterliegende Ebene 3 wird auch MES (Management Execution System) oder CPM (Collaborative Production Management) Ebene genannt.

Trend zu Ethernet

Ein Prozessleitsystem muss Komponenten verschiedener Anbieter integrieren können. Da viele Anlagen mit der Zeit gewachsen sind, muss das Leitsystem auch mit ­älterer Technik ausgestattete Teilanlagen harmonisch in ein Gesamtsystem integrieren können. Zwar spielt die analoge Anbindung von Feldgeräten auch bei Neu­anlagen noch eine wichtige Rolle, aber es ist ein klarer Trend zu digitalen Feldbussen und auch zu Ethernet in der Prozess­leittechnik zu verzeichnen. Um die erweiterten Möglichkeiten digitaler Feldgeräte beispielsweise zur Eigendiagnose und zentralen Kalibrierung wirklich nutzen zu ­können, muss Inbetriebnahme- und Wartungspersonal entsprechend geschult und leistungsfähige Engineeringumgebungen bereitgestellt werden. Mit dem neuen Standard Field-Device-Integration FDI [2] (die IEC-Version 62769 ist in Arbeit) wird es in Zukunft möglich sein, Feldgeräte unterschiedlicher Hersteller aus einheitlichen Werkzeugumgebungen heraus zu bearbeiten. In der Vergangenheit wurden Prozess- und elektrische Automation häufig über separate Leitwarten bedient. Moderne CPAS Systeme wie ABB 800xA ermöglichen mithilfe des Standards IEC 61850 eine einheitliche Bedienung. Die Gesamtanlage kann somit besser und mit weniger Per­sonal gefahren werden.

Objektorientierte Weiterentwicklung

IEC 61131-3 definiert die Sprachen für Auto­matisierungsprogramme: Anweisungsliste, Kontaktplan, strukturierter Text, Funktionsbaustein- und Ablaufsprache. Nahezu alle großen Hersteller unterstützen diese Sprachen zumindest teilweise. Somit können Programmierer ihr erlerntes Know-how zwischen Systemen verschiedener Hersteller transferieren. Derzeit ist die dritte Edition des Standards – die als wichtige Neuerung Objektorientierung hinzufügen wird – im Abstimmungsprozess. Die auf IEC 61131 basierende Norm IEC 61499 bietet gute Ansätze zur komponentenbasierten Softwareerstellung und ereignisgesteuerten Ausführung von Programmen. IEC 61499 ist eine gute Basis für dezentrale Regelungsszenarien. Allerdings hat sich IEC 61499 seit der Veröffentlichung 2005 bisher noch nicht sehr weit verbreiten können.

Leitsysteme der Zukunft

Der Standard OPC (ursprünglich OLE for Process Control, www.opcfoundation.org) hat sich seit 1996 mit großem Erfolg verbreitet, zunächst, um Prozesssignale in Echtzeit kommunizieren zu können. Dank OPC können Automatisierungskomponenten unterschiedlicher Hersteller miteinander kommunizieren, ohne das aufwändige projektspezifische Treiberprogramme geschrieben werden müssen. Das klassische OPC hat aber mindestens zwei Nachteile: Zum einen läuft es nur auf Rechnern mit Microsoft Windows, zum anderen basiert der Zugriff auf verteilte Rechner auf DCOM. DCOM hat zahlreiche Nachteile und wird von Microsoft nicht mehr weiterverfolgt. Das neue OPC-UA (Unified Architecture) [3] übernimmt die bewährten Vorteile von OPC und beseitigt die Nachteile. OPC-UA kann auf beliebigen Betriebssystemen implementiert werden und hat Sicherheitsmechanismen von Grund auf integriert. OPC-UA harmoniert gut mit Firewalls und kann somit gut für den Informationszugriff in internen und externen Firmennetzwerken genutzt werden. Derzeit ist OPC-UA noch nicht sehr weit verbreitet, es wird aber eine wichtige Rolle für die Architektur von zukünftigen Leitsystemen spielen.

Zum einen gibt es die wirtschaftliche Notwendigkeit, die Produktion immer besser mit ihrer Umgebung zu vernetzen, zum ­anderen hat die Stuxnet-Attacke auf das iranische Atomprogramm gezeigt, dass selbst gut gesicherte Anlagen angreifbar sind. Der Stuxnet-Virus blieb über viele Monate unentdeckt und hat in dieser Zeit unzählige Zentrifugen unbrauchbar gemacht. Produktionsanlagen müssen noch stärker als bisher gegen kriminelle und kriegerische Virusattacken abgesichert werden. Zukünftige Prozessleitsysteme müssen ­einfach zu konfigurierende und robuste Sicherheits­mechanismen anbieten, die weit über die heutigen Firewalls und Viren­scanner hinausgehen.

Der Mensch im Fokus

Ein weiteres Kernanliegen von collaborativen Prozessleitsystemen besteht darin, die Anlagenfahrer möglichst gut bei ihrer ­Arbeit zu unterstützen. Das fängt bei ergonomischen Aspekten wie höhenverstellbaren Möbeln an, die leicht für große wie für kleine Anlagenfahrer in sitzender wie stehender Position anpassbar sind. Derzeit wird die Gestensteuerung für ihre Eignung in Prozessleitwarten getestet (Abb. 1). Langfristig kann sie Anlagenfahrer mit einer sehr natürlichen Interaktion mit Großbilddarstellungen unterstützen. Gerade wenn es für Teams aus mehreren Experten gilt, unter Zeitdruck schwierige Situationen in den Griff zu bekommen, macht die effiziente Unterstützung durch das Prozessleitsystem den entscheidenden Unterschied aus.

Literatur

[1] Hollender, M. (2009): „Collaborative process automation systems“. ISA, North Carolina.
[2] Grossmann D., John, D., Laubenstein, A.: (2009) „EDDL Harmonisierung“. ATP-edition 10–11, 2009.
[3] Mahnke, W., Leitner S.-H., Damm, M.: (2009) OPC Unified Architecture“. Springer, Berlin

Foto: Panthermedia/Konrad Bak