Entwurfsverfahren für die Anlagentechnik und rechnerge¬ stütztes Projektierungssystem zur Verwendung bei diesem Verfahren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Entwurfsverfahren für die Anlagentechnik, insbesondere zur Verwendung bei der Automa¬ tisierung von Industrieanlagen, wobei die Technologie der Anlage durch Prozeßtechnik einerseits und durch Leittechnik andererseits beschrieben wird. Daneben bezieht sich die Er¬ findung auch auf ein rechnergestütztes Projektierungssystem zur Verwendung bei diesem Verfahren, enthaltend einen Digi¬ talrechner mit Zentraleinheit, Arbeits-, Programm- und Daten- speichern und mit Mitteln zur Codegenerierung.

Bei der Automatisierung von Industrieanlagen wird bisher im allgemeinen von einer vorgegebenen Prozeßtechnik ausgegangen, zu welcher eine zugehörige Leittechnik entwickelt werden muß, was üblicherweise von einem Elektrotechniker als Projekteur durchgeführt wird.

Eine wesentliche Aufgabe bei der Konzeption der Leittechnik einer Anlage ist zunächst einmal eine Aufgabenklärung, die zusammen mit dem späteren Betreiber der Anlage erfolgen muß. Wesentlich ist dabei die Erstellung einer externen Spezi¬ fikation, welche die Anforderungen an die zu projektierende Leittechnik beschreibt. Üblich ist heutzutage, daß dazu ein Technologe mit dem Projekteur zusammenarbeitet. Als Ergebnis entstehen dabei Funktionspläne, d.h. eine Beschreibung der zu lösenden Projektierungsaufgabe aus der Sicht des Elektro¬ technikers.

Bei der Umsetzung solcher Funktionspläne in eine weiter- bearbeitbare softwaremäßige Lösung gibt es jedoch häufig

Probleme, weil Diskrepanzen zwischen externer Spezifikation und der fertigen Lösung entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bisher bekannten Entwurfsverfahren für die Anlagentechnik zu verbessern und zugehörige Werkzeuge zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Maßnahmen gelöst :

- Es werden aus Modellen der Prozesse und der Leittechnik verfahrenstwchnische Objekte gebildet, - die verfahrenstechnischen Objekte werden in einem rechnergestützten Projektierungssystem verarbeitet,

- daraus werden ineinander verzahnte Modelle bestehend aus

Steuerung und/oder Regelung und/oder Simulation einschließlich Störungsanalyse erzeugt. Bei der Erfindung ist das Verfahrensergebnis als Software und/oder als Hardware ausführbar. Wesentlich ist, daß zur Beschreibung der Anlage jeweils rechnergestützt die Modelle des Prozesses und der Leittechnik in einem Anlagenmodell zusammengefaßt und daraus automatisiert ineinander verzahnte Modelle erstellt werden.

Im Rahmen der Erfindung werden jeweils anwendungsneutrale Beschreibungsmittel gewählt. Insbesondere kommt es darauf an, die Spezifikation so technologienah zu wählen, daß die ver- fahrenstechmsche Losung erkennbar ist, wobei die Funktions¬ beschreibung der Strukturbeschreibung untergeordnet ist. Sol¬ che Spezifikationen können dann formal analysiert und simula- tiv validiert werden. Damit ist es möglich, unmittelbar aus der Spezifikation einen Code für das im Rahmen des Projektie- rungssystem zu verwendende Automatisierungsgerat zu erzeugen

Besonders vorteilhaft ist beim erfindungsgemaßen Verfahren, daß die bei der Projektierung entwickelten Modelle anschlie ^¬ ßend unmittelbar bei der Anlagenrealisierung verwendet wer- den. Im Ergebnis ergibt sich dadurch em wesentliches Ein¬ sparpotential .

Bei enem geeigneten Projektierungssystem zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Entwurfsverfahren erfolgt mit dem Digitalrechner gleichermaßen ein Zugriff auf eine Bibliothek von Komponententypen und auf eine Beschreibung der Komponen¬ ten der konkreten Anlage. Entscheidend ist dabei, daß für die Benutzung der Komponentenbibliothek die Beschreibung aus der Sicht des verfahrenstechnischen Technologen definiert ist. Vorzugsweise hat die Komponentenbibliothek eine branchen¬ spezifische Auslegung.

Mit dem erfindungsgemaßen Projektierungssystem ist also ein Werkzeug geschaffen, bei dem die Komponententypen aus der Sicht des Technologen definiert sind und ein unmittelbarer Bezug zur Prozeßtechnik besteht.

Die Erfindung wurde beispielhaft im Rahmen der Papiertech¬ nologie untersucht und es wurde em Demonstrator für eine Al ^' tpapieraufbereitung erstellt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, daß die erzielten Ergebnisse auf andere Bereiche der Anlagentechnik verallgemeinerbar sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausfuhrungsbei¬ spielen anhand der Zeichnung. Es zeigen jeweils als Prmzip- darstellung

Figur 1 das neue Entwurfsverfahren,

Figur 2 das zugehörige Projektierungssystem,

Figur 3 der hierarchische Aufbau der dabei als Komponenten- typen verwendeten verfahrenstechnischen Elemente,

Figur 4 die Beschreibung einer Anlage mit dem Projektierungs¬ system, Figur 5 die dabei verwendete Methode zur automatischen Codegenerierung und Figur 6 das Vorgehen bei der Fehlerdiagnose.

Unter einer Anlage versteht man im allgemeinen die Gesamtheit der Ausrüstungen eines Betriebs, die zur Produktion, zur Fer¬ tigung, zur Energieerzeugung und/oder zu Förder- bzw. Trans¬ portzwecken erforderlich sind. Im Nachfolgenden werden unter dem Begriff "Industrieanlage" überwiegend Großanlagen wie beispielsweise Kraftwerke, Müllverbrennungsanlagen oder auch Papierfabriken verstanden.

Zur Erstellung einer Anlage müssen unterschiedliche Partner zusammenwirken: Dies ist einmal der Betreiber, dessen Ziel es ist, durch das Anbieten von Dienstleistungen bzw. Produkten ein Ergebnis zu erzielen. Dazu orientiert er sich an den Be¬ dürfnissen des Marktes. Er formuliert seine Ziele mit Hilfe von Begriffen wie Durchsatz, Kosten, Qualität und/oder Pro- duktivität.

Vom Betreiber der künftigen Anlage nehmen üblicherweise Technologen die Anforderungen entgegen und setzen sie um in einen Entwurf für eine Anlagenkonfiguration. Technologen be- nötigen dabei Wissen über notwendige Verfahrensschritte, da sie für die Auslegung der verschiedenen Anlagenteile zustän¬ dig sind. Als Ergebnis erzeugen die Technologen ein Technolo¬ gieschema, in dem die einzelnen Maschinen, Sensoren, Stell¬ glieder, aber auch Material-, Wirk- und Informationsflüsse festgelegt sind.

Da für gewisse Verfahrensschritte der Anlage Einzellösungen in Form von Maschinen und Ausrüstungen, die von Komponenten¬ lieferanten angeboten werden, bereits vorhanden sind, ist es zweckmäßig, zwischen Lieferanten für die Prozeßtechnik und Lieferanten für die Leittechnik zu unterscheiden. Üblicher¬ weise erstellen Systemintegratoren aus den einzelnen Kompo¬ nenten der Komponentenlieferanten die komplette Anlage.

Wesentlich für ein erfolgreiches Entwurfsverfahren sowie die weitere Erstellung bei der Anlagentechnik ist die technolo¬ gische Kompetenz, welche für die Leittechnik einerseits und

für die Prozeßtechnik andererseits maßgebend ist. Die Leit¬ technik umfaßt dabei alle Einrichtungen, die zum automati¬ schen Betrieb der Anlage notwendig sind. Dazu gehören bei¬ spielsweise unter anderem die Aktoren und Sensoren, die Hard- und Software der Automatisierungsebene und die Komponenten der Leit- und Führungstechnik der Anlage. Die eigentliche Prozeßtechnik wird dagegen durch Aggregate, Pumpen, Ventile u. dgl. beschrieben.

In Figur 1 geht der Block 1 von der bekannten Technologie einer zu projektierenden Anlage aus. Für die Anlagentechnik ist dabei sowohl die Leittechnik als auch die Prozeßtechnik von Bedeutung, welche miteinander in Wechselwirkung stehen Anhand von Block 2 wird die zugehörige Beschreibung verdeut- licht: Das Anlagenmodell besteht dabei einerseits aus einem Modell der Leittechnik und andererseits aus einem Modell des Prozesses, welche zumindest einmal voneinander zu trennen sind. Im Block 3 sind die ausführbaren Modelle eingetragen, die im einzelnen miteinander verzahnt smd. Dabei verdeut- licht die Verzahnung, daß nunmehr erstmalig die bisher übli¬ chen Abgrenzungen aufgehoben sind. Insbesondere die Teil- modelle greifen jeweils auf solche Informationen, die in an¬ deren Teilmodellen bereits beschrieben sind, zurück. Eine doppelte Beschreibung unterbleibt also, was insbesondere bei einer im allgemeinen immer notwendigen Storungsanalyse Vorteile hat.

Gemäß Figur 1 smd dem Prozeßmodell entsprecnende Einheiten zur Steuerung und/oder Regelung und/oder Simulation emer- seits sowie zur Storungsanalyse andererseits zugeordnet.

Schließlich umfaßt der Block 4 die spatere Realisierung der Anlage mit entsprechender Storungsanalyse

Bei der Vorgehensweise entsprechend Figur 1 ist die Basis des Entwurfsverfahrens eine technologiennahe Beschreibung der Struktur einer Anlage und deren Funktionsweise. Durch die Kombination von Techniken zum Entwurf von Steuerungen und

Regelungen, zur Simulation und zur Diagnose wird ein ausführ¬ bares Anlagenmodell erstellt, das den Spezifikationen ent¬ spricht.

Die Spezifikation für das Anlagenmodell kann anschließend im einzelnen formal analysiert und simulativ validiert werden, d.h. durch Simulationsrechnungen bestätigt werden. Die Simu¬ lation erfolgt mit graphischer Unterstützung, um gemeinsam dem Technologen die Aufgabenklarung zu verdeutlichen und ggfs. die Spezifikation zu modifizieren. Die validierte

Spezifikation wird dahingehend genutzt, daß daraus weitest¬ gehend automatisch ein Code für Automatisierungssysteme erzeugt werden kann, was im einzelnen in der europäischen Patentveröffentlichung EP-A-0 671 027 für spezifische An- wendungszwecke bei der Bahntechnik beschrieben ist.

Ein System zur Verwendung bei einer Vorgehensweise gemäß Figur 1 beinhaltet eine technologiennahe Beschreibung der betreffenden Anlage. Dabei setzt sich die konkrete Anlage zusammen aus Objekten der Komponentenbibliothek und wird so auf die abzubildende Anlage über Parameter und Wechselbezie¬ hungen eingestellt. Wichtig ist, daß die Komponententypen aus der Sicht des Technologen definiert wurden, so daß nunmehr ein unmittelbarer Bezug zur Prozeßtechnik möglich ist. Für die einzelnen Komponententypen wird die Struktur gemeinsam für alle Anteile der Entwurfsverfahren und das Verhalten unter den Aspekten Steuerung und Regelung, Prozeßsimulation und Storungsanalyse spezifiziert. Die Komponenten der kon¬ kreten Anlage erhält man daraus durch Instanznerung der Komponententypen.

In Figur 2 kennnzeichnet 10 einen üblichen Digitalrechner mit Zentraleinheit 101, Emgabeemheit 102 und Monitor 103. Die Zentraleinheit 101 beinhaltet u.a. Arbeits-, Programm- und Datenspeicher, die nicht im einzelnen dargestellt sind. We¬ sentlich ist im vorliegenden Zusammenhang, daß im Datenspei¬ cher eine Komponententypbibliothek 11 von verfahrenstechni-

sehen Elementen vorhanden ist, die sich zu komplexeren Objek¬ ten kombinieren lassen. Letzteres ist in Figur 2 durch den separaten Block 11, der mit der Zentraleinheit 101 bzw. dem Monitor 103 verbunden ist, angedeutet. Durch Instanznerung einzelner Elemente lassen sich im Bereich 11' solche Objekte als Modelle bilden und unmittelbar auf dem Monitor 103 dar¬ stellen.

In Figur 3 ist verdeutlicht, daß die Komponentenbibliothek 12 einen hierarchischen Aufbau hat. Beispielsweise sind in einer untersten Ebene 111 Sensoren und Aktoren vorhanden und in der nächsten Ebene 112 Ventile und Motoren als sog.Typicals . In den darüberliegenden Ebenen 113 bis 116 folgen komplexere Komponenten sowie Teilanlagen, Anlagen und die Fabrik als komplette Industrieanlage. Solche Objekte können vom Benutzer unmittelbar abgerufen werden.

In Figur 4 stellt Block 11 eine solche Komponentenbibliothek dar, die branchenspezifisch strukturiert ist, und Block 12 eine zugehörige zu projektierende Industrieanlage. Die Be¬ schreibung der konkreten Anlage 12 entsprechend der Vor¬ gehensweise gemäß Figur 1 erfolgt durch Instanznerung der Komponenten aus der Komponentenbibliothek 11. Durch Hinzu¬ fügen der Parameterwerte mit entsprechenden Wechselbeziehun- gen der Anlage 12 läßt sich die Beschreibung selbst reali¬ sieren. Durch die Berücksichtigung der Anlagenstruktur wird dabei für die einzelnen Anteile des Entwurfsverfahrens das globale Verhalten der Anlage aus den lokalen Beschreibungen automatisch konstruiert .

Die Codegeneπerung für die Steuerung und Regelung einer zu projektierenden Anlage kann entweder unmittelbar auf der Be¬ schreibung der Anlage aufsetzen oder alternativ auf dem aus¬ führbaren Modell der Steuerung und Regelung basieren. Gemäß letzterer Alternative ist es dafür erforderlich, daß die

Steuerungs- und Regelungsvorgänge explizit deterministisch

beschrieben sind. Es wird in diesem Fall von einer alternati¬ ven Codegenerierung gesprochen.

Die alternative Codegenerierung nutzt gewisse Phasen eines bekannten CSL-Compilers, in dem sie nicht auf der bekannten Sprache CSL, sondern auf der Sprache SCSL aufsetzt. Es wird dabei nicht der volle Umfang der Sprache SCSL von der alter¬ nativen Codegenerierung berücksichtigt. Hierzu ist in Figur 5 em sogenannter CSL-Compiler 30 dargestellt, dem aus Figur 1 bis Figur 4 die Blöcke der Komponentenbibliothek 11 und des konkreten Anlagenaufbaus 12 zugeordnet sind. Der CSL-Compiler 30 besteht aus den Einheiten 31 für die Instantnerung, 32 für die sogenannte Expansion, 33 für die Codierung und 34 für das Gleichungslösen, mit denen ein Automat 40 generiert wird Bei der alternativen Codegenerierung wird an der Einheit 32 abgegriffen und über die SCSL-Sprache in der Einheit 36 zur Codegenerierung der tatsachliche Code realisiert .

Bei der Sprache SCSL wird also vom CSL-Compiler 30 em Zwischenergebnis ausgenutzt, das nach der Expansion erzeugt wird. Als Zielsprache wird bei der Codegenerierung em ziel- maschmenunabhängiger Zwischencode erzeugt, der der Norm IEEC 1131-3 entspricht.

Das an den Prinzipschaubildern gemäß Figuren 1 und 3 erläu¬ terte Verfahren geht aus von Verfahren zur Beschreibung und Analyse zustandsähnlicher Systeme. Dieses Verfahren ermöglicht die Konstruktion der Steuerung und Regelung einer hierarchisch aufgebauten Anlage aus der Strukturbeschreibung und der Beschreibung lokaler Steuerungs- und Regelungsvor¬ gange. Damit werden die Inkonsistenzen zwischen den unter¬ schiedlichen lokalen Anforderungen automatisch aufgedeckt. Die Regelungsaufgaben smd dagegen weitgehend entkoppelt, sc daß eine Trennung in analoge und diskrete Zusammenhange mog- lieh ist.

Für eine simulative Validation der Steuerung- und Regelungs¬ vorgänge wird das Verhalten von Prozeß, Sensorik und Aktorik in Form eines Simulationsmodelles beschrieben. Das Gesamtver¬ halten der Anlage wird auch hier durch eine Kombination loka- 1er Modelle unter Berücksichtigung der Strukturbeschreibung konstruiert. Für die Validation des Diagnoseanteils werden zusätzlich mögliche Fehlerfälle von Komponenten modelliert.

Zur Analyse von Störungen, die durch Anlagenfehler hervor- gerufen werden, lassen sich Verfahren der modellbasierten Diagnose verwenden. Dafür wird die Kombination lokaler Modelle des Normal- und Fehlverhaltens von Komponenten ent¬ sprechend der Anlagenstruktur zur Erkennung und Identifika¬ tion von Fehlern benutzt. Für eme engere Integration von Steuerungsentwurf und Diagnosetechnik smd Konzepte zur Feh¬ lererkennung durch die Steuerung und Analyse des Steuerungs¬ zustandes bekannt.

Aus Figur 6 ergibt sich im wesentlichen selbsterklarender Weise, wie die Diagnose durch Finden und Analyse von Diskre¬ panzen erfolgen kann. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Erkennung des Zielverhaltens eines technischen Systems die Bestimmung plausibler Erläuterungen für das beobachtete Fehl¬ verhalten, d.h. die Diagnose, für die Wiederherstellung sei- ner ursprunglichen Funktion entscheidend ist. Die Diagnose setzt dabei das Wissen über das normale erwartete Verhalten des Systems voraus.

Bei der modellbasierten Diagnose gemäß Figur 4 wird von emem expliziten Modell des zu diagnostizierenden Systems ausgegan¬ gen. Dies Modell umfaßt eme Beschreibung der Struktur des Systems, d.h. der Komponenten und ihrer Veroindungen, sowie lokale, d.h. kontextfreie Beschreibungen des Verhaltens ein¬ zelner Komponenten. Es werden im wesentlichen qualitative Modelle verwendet, um den Modellierungsprozeß zu verein¬ fachen.

Auf der Basis einer solchen Systembeschreibung wird unter der Annahme, daß jede Komponente sich korrekt verhält, das Ver¬ halten des Gesamtsystems vorhergesagt und dabei protokol¬ liert, von welchen Korrektheitsannahmen bestimmte Aspekte dieses Verhaltens abhängen. Treten Diskrepanzen zwischen vor¬ hergesagtem und beobachtetem Verhalten auf, werden die proto¬ kollierten Abhängigkeiten verwendet, um die Mengen von Kor¬ rekturannahmen zu identifizieren, die für die Diskrepanzen verantwortlich ist. Diese Mengen von inkonsistenen Annahmen werden auch Konflikte genannt. Um alle Konflikte aufzulösen, muß eine Diagnose mindestens eine Annahme aus jedem Konflikt zurückziehen. Auf diese Weise erhält man im allgemeinen meh¬ rere Diagnosen, die sich durch genauere Modelle und zusätz¬ liche Beobachtungen weiter modifizieren lassen.