DE10147740A1 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Erstellung von Simulationsprogrammen - Google Patents

Abstract

Zur automatischen Erstellung von Simulationsprogrammen werden Programmgrundoperationen in der Rezeptverwaltung eines realen Prozesses bereitgestellt. Darüber hinaus werden Prozessparameter des Realprozesses in der Sequenzlogik (SFC) bereitgestellt. Zur Verfahrenssimulation werden die Programmgrundoperationen mit den Prozessparametern automatisch verknüpft, wodurch ein Simulationsmodell entsteht, das gemäß dem realen Prozess initialisiert ist. Die Verfahrenssimulation wird günstiger Weise durch das Prozessleitsystem des realen Prozesses mitgesteuert. Der Parallellauf des realen Prozesses mit dem Simulationsprozess ermöglicht eine wirkungsvolle Überwachung und ein verbessertes Instandhaltungsmanagement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erstellen von Simulationsprogrammen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und insbesondere zur Instandhal­ tung von Systemen.

Üblicherweise werden erforderliche Instandhaltungsmaßnahmen ereignisgesteuert oder zeitgetriggert durchgeführt. Bei er­ eignisgesteuerten Instandhaltungsmaßnahmen wird eine Prozess­ komponente ausgetauscht oder repariert, wenn diese ausgefal­ len ist. Demgegenüber werden bei zeitgetriggerten Instandhal­ tungsmaßnahmen in regelmäßigen Zeitabständen Wartungsmaßnah­ men durchgeführt, wodurch ein Ausfall der Prozessanlage ver­ hindert werden soll.

Die präventive Instandhaltung ist insbesondere bei sehr kom­ plexen Anlagen von herausragender Bedeutung. Der Ausfall bei­ spielsweise einer Produktionsanlage kann sehr hohe Kosten hervorrufen. Daher werden komplexe Anlagen häufig durch Sen­ soren überwacht, und die Messwerte dafür verwendet, um In­ standhaltungsbedarf zu erkennen. Typischerweise werden hierzu Messwerte von Anlagenkomponenten erfasst und während des Pro­ zesses mitgeschrieben. Aus den Veränderungen der Messwerte lassen sich Tendenzen erkennen, die unter Umständen Instand­ haltungsmaßnahmen erfordern. So kann beispielsweise der Druck in einer Anlage im Laufe der Zeit ansteigen, was beispiels­ weise auf eine Verstopfung einer Rohrleitung hinweist. Dar­ über hinaus können Vibrationen Rückschlüsse auf einen Lager­ verschleiß geben oder das Messen des Phasenwinkeldreiecks in einem Antrieb auf einen ungünstigen Schlupf hinweisen. Nicht bei jeder Anlage lassen sich jedoch die einzelnen Komponenten ständig auf Verschleiß und dergleichen überwachen. So kann eine Überwachung beispielsweise bei sehr hohen Prozesstempe­ raturen, sehr kompakter Anlagenbauweise oder zu hoher Komple­ xität von Einzelkomponenten unwirtschaftlich sein.

Für das Engineering und testen von Anlagen und Prozessen wer­ den Prozesssimulationsprogramme eingesetzt. Derartige Simula­ tionsprogramme werden von Spezialisten erstellt und an indi­ viduelle Bedürfnisse angepasst. Dementsprechend ist es sehr aufwendig, Simulationsprogramme für große Anlagen oder viel­ schichtige Prozesse zu erstellen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, insbesondere im Hinblick auf Instandhaltungsmaßnahmen das Erstellen von Simulationsprogrammen zu vereinfachen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Erstellen eines Simulationsprogramms durch Bereitstellen von Programmgrundoperationen und Bereitstellen von Prozesspa­ rametern eines Realprozess, sowie automatisches Verknüpfen der Programmgrundoperationen mit den Prozessparametern zum Initialisieren des Simulationsprogramms.

Ferner wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Vor­ richtung zum Simulieren eines Systems mit einer Speicherein­ richtung zum Bereitstellen von Programmgrundoperationen und einer Steuereinrichtung zum Simulieren eines Realprozesses auf der Grundlage der Programmgrundoperationen, sowie einer . Einleseeinrichtung zum Einlesen von Prozessparametern des Re­ alprozesses, wobei durch die Steuereinrichtung die Programm­ grundoperationen für einen Simulationsprozess mit den Pro­ zessparametern zum Initialisieren des Simulationsprozesses automatisch verknüpfbar sind.

In vorteilhafter Weise kann durch die Erfindung das Simulati­ onsmodell bzw. -programm automatisch aus dem realen Prozess abgeleitet werden. Daher bedarf es keines zusätzlichen Engi­ neeringaufwands, wenn die Steuerung der realen Anlage bereits gegeben ist. Damit steigt die Akzeptanz von Anwendern, Simu­ lationsmodelle insbesondere für die Instandhaltung einzuset­ zen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

Fig. 1 ein Datenflussdiagramm eines realen Prozesses und ei­ nes erfindungsgemäßen parallel laufenden Simulationsprozes­ ses;

Fig. 2 ein Signalflussdiagramm zum Alarmieren und Vorhersagen von Instandhaltungsbedarf; und

Fig. 3 ein Signalflussplan zur Durchführung von Instandhal­ tungsmaßnahmen.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen be­ vorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Signalflussplan einer Steue­ rung eines realen Prozesses in der linken Hälfte des Bildes und eines parallellaufenden Simulationsprozesses in der rech­ ten Hälfte des Bildes. Zur Steuerung des realen Prozesses dient als Ausgangspunkt die Auftragssteuerung bzw. ein soge­ nannter Scheduler. Mit den Auftragsdaten wird eine Re­ zeptsteuerung (batch flexible) angesteuert. Aus einer Daten­ bank, der Rezeptverwaltung, bezieht die Rezeptsteuerung das bzw. die gewünschten Rezepte. Diese Ansteuerung ist sowohl für Stapelverarbeitungsprozesse (batch) als auch für kontinu­ ierliche Prozesse geeignet.

Die eigentliche Anlagensteuerung bzw. Automatisierung erfolgt in dem mit "Sequenz Logik" bezeichneten Block in Fig. 1. Ein eigener Baustein zwischen der Rezeptsteuerung und der Sequenz Logik sorgt für die Koordination der Befehle hinsichtlich der Semantik.

Die Sequenz Logik steht mit mehreren Funktionsblöcken FB in Verbindung, die für die Automatisierung der einzelnen Schrit­ te zuständig sind. Die Sequenz Logik und die Funktionsblöcke tauschen dann über eine Eingabe/Ausgabe-Peripherie Befehle und Messwerte mit den Prozesskomponenten des realen Prozesses aus. Als Beispiel eines realen Prozesses könnte ein einfacher Produktionsprozess dienen, der in einer vereinfachten Anlage durchgeführt wird. Ein Behälter steht mit einem Reaktor über ein Rohr in Verbindung. In dem Reaktor befinden sich zwei Ag­ gregate, ein Rührer und ein Heizaggregat. Der Behälter wird mit einem bestimmten Stoff gefüllt. Während des Produk­ tionsprozesses könnte der Reaktor mit dem Stoff aus dem Be­ hälter gefüllt werden und anschließend den eingefüllten Stoff heizen und rühren. Die entsprechenden Verfahrensschritte sind Füllen, Heizen und Rühren. Jeder dieser einzelnen Verfahrens­ schritte bzw. Grundoperationen besitzt eine eigene interne Sequenz von Befehlsschritten, die in der Sequenz Logik umge­ setzt wird. Beispielsweise kann der Verfahrensschritt Füllen die Befehle umfassen: Überprüfe Zustand der Zellradschleuse, öffne Schieber, überprüfe Füllstand usw. In einem Rezept zur Herstellung einer bestimmten Substanz sind die einzelnen Ver­ fahrensschritte exakt festgelegt. Ähnlich einem Kochrezept enthält das Steuerungsrezept Parameter wie Prozesszeiten, Prozesstemperaturen usw. Darüber hinaus wird eine bestimmte Abfolge der Verfahrensschritte vorgegeben.

In der Sequenz Logik werden die einzelnen Verfahrensschritte zur Abfolge gebracht und der jeweilige Anfang und das Ende zeitlich festgelegt. Unter Vorgabe der Sequenz Logik überneh­ men Funktionsbausteine die Einzelsteuerung von Anlagenkompo­ nenten.

In der rechten Seite des Bildes von Fig. 1 ist ein entspre­ chender Simulationsprozess dargestellt. Wie das reale Pro­ zesssystem besteht das Simulationssystem aus einem Koordina­ tionsbaustein mit nachfolgender Sequenz Logik und Equipment- Funktionsbausteinen. Die Eingabe/Ausgabe-Peripherie des rea­ len Prozesses wird durch eine logische Peripherie simuliert. Der reale Prozess selbst muss zum einen in seinen Komponenten als auch in dem Verfahrensablauf selbst simuliert werden. Die Komponenten werden in einer sogenannten Equipmentsimulation simuliert und die Verfahrenssimulation findet durch geeignete Zusammenschaltung der Equipmentsimulationsbausteine statt.

Aus einer Bibliothek mit RB-Klassen (Reaktionsbausteine) kann die logische Peripherie und die Equipmentsimulation durch ei­ nen Semantikmanager automatisch generiert werden.

Equipment-Stammdaten, Stoff-Stammdaten, Rohrleitungs-Stammda­ ten etc. fließen in die Verfahrenssimulation ein. Equipment- Stammdaten sind beispielsweise der Durchmesser von Behältern, Leistungsmerkmale von Ventilen, Pumpen usw. Stoff-Stammdaten sind Mengen, Körnung usw. des verwendeten Stoffes. Schließ­ lich geben die Rohrleitungs-Stammdaten Abmessungen und sons­ tige relevante Größen der verwendeten Rohrleitungen wieder. Sämtliche Stammdaten können in Bibliotheken hinterlegt wer­ den.

Der reale Prozess wird nun mit dem Simulationsprozess syn­ chronisiert. Dadurch findet ein Parallellauf beider Prozesse statt, so dass ein unmittelbarer Vergleich der Prozessergeb­ nisse ermöglicht wird. Dabei muss nicht der gesamte reale Prozess simuliert werden, sondern es kann beispielsweise ein besonders kritischer Prozessschritt, der beispielsweise eine ständige Überwachung erfordert, simuliert werden.

Durch die Simulation lassen sich die gesamte Anlage und/oder wesentliche Anlagenteile als virtuelle Anlage nachbilden. Durch das gezielte Nachbilden von Anlagenteilen und das ver­ gleichen der jeweiligen virtuellen und realen Verfahrens­ schritte lässt sich Instandhaltungsbedarf je nach Größe der Simulationskomponente entsprechend gut lokalisieren. So kön­ nen beispielsweise kritische Anlagenteile in feinere Verfah­ rensschritte unterteilt werden, so dass der Instandhaltungs­ bedarf besser lokalisiert werden kann. Bei unkritischen Anla­ genteilen können mehrere Komponenten sowohl beim Vermessen des realen Prozesses als auch bei der Simulation zusammenge­ fasst werden. Stellt sich nun aufgrund des Vergleichs der Re­ sultate von Verfahrensschritten im realen und virtuellen Pro­ zess eine feste Abweichung oder eine zeitlich zunehmende Ab­ weichung heraus, so können entsprechende Instandhaltungsmaß­ nahmen eingeleitet werden.

Das verfahrenstechnische Verhalten einer Anlage kann unter­ sucht werden, um Instandhaltungsbedarf frühzeitig erkennen zu können. Es wird also beispielsweise nicht die Vibration einer Pumpe gemessen, um Rückschlüsse auf einen Lagerverschleiß ziehen zu können, sondern es wird der Durchfluss gemessen und mit einem simulierten Idealdurchfluss verglichen, um die Al­ terung der Pumpe erkennen zu können.

In einer Weiterentwicklung könnte auch das Verhalten des in der Anlage befindlichen und verarbeiteten Stoffes simuliert werden. Aus dem simulierten und realen chemischen Umformungs­ prozess könnten Rückschlüsse auf die Anlage gezogen werden. So könnten beispielsweise Abweichungen im physikalischen Zu­ stand eines Stoffes, z. B. Viskosität, darauf hinweisen, dass ein Kühlgerät defekt ist. Ebenso könnten beispielsweise Ab­ weichungen zwischen simuliertem und gemessenem PH-Wert darauf hindeuten, dass ein Rührer defekt ist.

Ob nun für Diagnosezwecke die physikalischen Parameter des in der Anlage befindlichen Stoffes oder typische Anlagengrößen wie der Durchsatz verwendet werden, ist zweitrangig, solange der Simulationsprozess parallel zum realen Prozess verläuft und Einzelergebnisse von Verfahrensschritten oder Gesamter­ gebnisse der Gesamtverfahren verglichen werden. Für den je­ weiligen Vergleich ist es notwendig, dass der Anfang und das Ende eines jeden zu vergleichenden Verfahrensschritts defi­ niert und erkannt wird. Ebenso lassen sich eindeutige Indika­ toren für Instandhaltungsbedarf ermitteln. So können bei­ spielsweise unüblich lange Füllzeiten oder auch lange Heiz­ zeiten erkannt werden, die vom normalen Anlagenbetrieb abwei­ chen. Diese Abweichungen müssen nicht zum Ausfall der gesam­ ten Anlage oder zur Produktion von Ausschuss führen, sondern bedeuten unter Umständen lediglich, dass die Anlage nicht am projektierten Optimum fährt.

Je nach Größe der Abweichungen können die entsprechenden In­ standhaltungsmaßnahmen durchgeführt werden. So kann bei einer geringen Abweichung zwischen dem realen und dem simulierten Prozess lediglich eine Warnung an das Instandhaltungsteam ge­ leitet werden. Bei größeren Abweichungen könnte eine Störmel­ dung abgesetzt werden, die einen unmittelbaren Wartungsbedarf signalisiert.

Die Diagnoseinformationen, die man vom Parallellauf des rea­ len und simulierten Prozesses erhält, kann auch zur Optimie­ rung der Anlage verwendet werden. Wird beispielsweise die An­ lage mit einer geänderten Rezeptur gefahren, so ändern sich die Verfahrensschritte und/oder deren Reihenfolge. Die Anla­ gensteuerung bzw. der Scheduler setzt das neue Rezept in Zeitabläufe bzw. Zeitscheiben um. Bei Vielstoffanlagen bei­ spielsweise sind diese Zeitscheiben in Abhängigkeit der ver­ schiedenen Stoffe und Anlagenkomponenten zu koordinieren. Ziel dabei ist, alle Anlagenteile möglichst optimal auszu­ lasten. Um das Scheduling online zu verbessern, kann der Si­ mulationsprozess parallel zum realen Prozess laufen. Dadurch lässt sich eine Optimierung erzielen, ohne dass die Anlage still stehen muss.

Bei großen Anlagen und vielschichtigen Prozessen bedarf die Steuerung des realen Prozesses eines hohen Engineeringauf­ wands. Um diesen Engineeringaufwand für das Simulationsmodell nicht erneut betreiben zu müssen, wird das Simulationsmodell bzw. -programm automatisch erstellt. Dazu werden Grundopera­ tionen, die in der Rezeptverwaltung und der Auftragssteuerung bereitgestellt sind in der Verfahrenssimulation automatisch miteinander verknüpft. Zum Initialisieren des Simulationspro­ gramms werden die Prozessparameter des Realprozesses von der Sequenzlogik SFC online ausgelesen. Das Simulationsprogramm wird somit automatisch mit den Prozessparametern des Realpro­ zesses ausgestattet, wodurch sich eine exakte physische und zeitliche Nachbildung des realen Prozesses ergibt.

Die Verfahrenssimulation wird günstiger Weise von der Auf­ tragssteuerung des realen Prozesses mitgesteuert. Es kann a­ ber für die Simulation auch eine separate Steuerung vorgese­ hen werden. Die steuerungstechnische Angliederung an den rea­ len Prozess ist jedoch für ein automatisches Engineering be­ sonders vorteilhaft.

Ein Simulationsmodell ist ferner für das automatische Engi­ neering datentechnisch an die Steuerung des Realprozesses an­ zupassen. Ein dementsprechend angepasstes generisches Simula­ tionsmodell einer Grundoperation verfügt beispielsweise über einen Satz von Parametern, die sich aus Parametertripeln zu­ sammensetzen. Ein Tripel besteht dabei aus dem Parameter "Stoff(e)", der produktabhängig ist, dem Parameter "Unit", der den jeweils verwendeten Behälter definiert, und dem Pa­ rameter "Auftrag", der die jeweils betroffene Stoffmenge de­ finiert. Die Parameter sind aus den Produktionsrezepten be­ kannt. Das Simulationsmodell wird nun über diesen Satz von Parametern initialisiert, so dass es dem gerade ablaufenden realen Prozess entspricht.

Da die Simulationsmodelle der für die Produktion erforderli­ chen Grundoperationen unabhängig von den für die Produktion erforderlichen Rezepten sind ("generisch") und die Simulation einschließlich ihrer Parameterversorgung vom Prozessleitsys­ tem gesteuert wird, ist für die parallele Simulation kein zu­ sätzlicher Engineeringaufwand erforderlich.

Die Simulationsmodelle werden automatisch aus den Rezepten des realen Prozesses in ihrem Prinzip erstellt. Generell kön­ nen die Simulationsmodelle aus Semantikprogrammen, Semantik­ peripheriezuweisungen und/oder verfahrenstechnischen Enginee­ ringdokumenten, d. h. den Informationen, die die virtuelle Anlage zur Beschreibung ihrer Komponenten und deren Zusammen­ wirken braucht, erstellt werden. Für den automatischen Be­ trieb werden diese Informationen in die Parametrierung und Verschaltung der virtuellen Anlage umgesetzt.

Wie bereits erwähnt, bedingt ein aussagekräftiger Vergleich zwischen realen und simulierten Prozessschritten eine genaue Synchronisation. Dabei ist auch ein exakter Ausgangspunkt festzulegen, was durch das Initialisieren erfolgt. Wie in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, kann das Initialisieren des Simulationsprozesses durch die Sequenz Lo­ gik der Originalanlage online gesteuert werden. So kann bei­ spielsweise gewährleistet werden, dass ein Behälter in der Originalanlage und bei der Simulation in einem bestimmten Verfahrensschritt eines bestimmten Rezepts jeweils einen de­ finierten Füllstand hat.

Die einfachen Pfeile in Fig. 1 bedeuten dabei signaltechni­ sche Verknüpfungen oder Aktionsverknüpfungen und die Doppel­ pfeile Datenverbindungen, die beispielsweise zum Parametrie­ ren und Engineering erforderlich sind.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Signalflussplan zur Gewin­ nung einer Instandhaltungsanforderung aufgrund der Diagnose, die sich aus dem Vergleich zwischen dem realen Prozess und dem parallellaufenden Simulationsprozess ergeben hat. Erläu­ terungen zu den Bausteinen finden sich in der Tabelle am Ende der Beschreibung.

Fig. 3 zeigt einen Signalflussplan, der die Weiterverarbei­ tung einer Instandhaltungsanforderung in einem Instandhal­ tungsmanagement zeigt. Demnach werden Servicemaßnahmen ausge­ führt, wenn dies aufgrund einer Informationsbeschaffung, ei­ ner Material/Ressourcen-Beschaffung, einer Instandhaltungs­ planung und der Instandhaltungsanforderung erforderlich ist. Die Material/Ressourcen-Verwaltung und das Budget wirkt sich dabei auf die Instandhaltungsplanung aus. Darüber hinaus dient das Anlagenmodell zur Informationsbeschaffung.

Tabelle

Claims (15)

1. Verfahren zum Erstellen eines Simulationsprogramms durch Bereitstellen von Programmgrundoperationen und Bereitstellen von Prozessparametern eines Realprozess, gekennzeichnet durch automatisches Verknüpfen der Programmgrundoperationen mit den Prozessparametern zum Initialisieren des Simulationspro­ gramms.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das automatische Ver­ knüpfen durch ein Prozessleitsystem erfolgt, das den Realpro­ zess steuert oder regelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bereitstellen der Prozessparameter durch Bereitstellen vordefinierter Da­ tenpakete erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Datenpakete Parame­ tertripel, insbesondere je ein Parameter für eine Stoffart, eine Behälterart und eine Stoffmenge, sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Prozessparameter aus einem Produktionsrezept des Realprozes­ ses gewonnen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Programmgrundoperationen auf der Grundlage von einem oder mehreren Semantikprogrammen, Semantikperipheriezuweisungen und/oder verfahrenstechnischen Engineeringdokumenten der Steuerung des Realprozesses zu dem Simulationsprogramm zusam­ mengefügt werden.

7. Verfahren zum Simulieren eines Realprozesses mit den Ver­ fahrensschnitten nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und dem weiteren Schritt des Steuerns des Simulationsprozesses durch ein Prozessleitsystem des Realprozesses.

8. Verfahren zur Instandhaltung eines Systems durch
Ausführen eines Realprozesses in dem System,
Ausführen eines Simulationsprozesses nach Anspruch 7 zeitlich parallel zu dem Realprozess, wobei der Simulationsprozess zu­ mindest einen Teil des Realprozesses simuliert,
Vergleichen des Simulationsprozesses mit dem Realprozess oder dem Teil davon unter Gewinnen eines Vergleichsergebnisses und
Ableiten von Instandhaltungsmaßnahmen aus dem Vergleichser­ gebnis.

9. Vorrichtung zum Simulieren eines Systems mit
einer Speichereinrichtung zum Bereitstellen von Programm­ grundoperationen für einen Simulationsprozess und
einer Steuereinrichtung zum Simulieren eines Realprozesses auf der Grundlage der Programmgrundoperationen,
gekennzeichnet durch
eine Einleseeinrichtung zum Einlesen von Prozessparametern des Realprozesses, wobei durch die Steuereinrichtung die Pro­ grammgrundoperationen mit den Prozessparametern zum Initiali­ sieren des Simulationsprozesses automatisch verknüpfbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Steuereinrich­ tung in ein Prozessleitsystem, das den Realprozess steuert oder regelt, integriert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Prozesspa­ rameter vordefinierte Datenpakete sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Datenpakete Para­ metertripel, insbesondere je ein Parameter für eine Stoffart, eine Behälterart und eine Stoffmenge, sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Prozessparameter durch die Einleseeinrichtung aus einer Pro­ duktionsrezeptspeichereinheit des Realprozesses einlesbar sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei durch die Einleseeinrichtung eines oder mehrere Semantikpro­ gramme, Semantikperipheriezuweisungen und/oder verfahrens­ technische Engineeringdokumente des Realprozesses einlesbar und durch die Steuerungseinrichtung zum Zusammenfügen der Programmgrundoperationen verwendbar sind.

15. Vorrichtung zur Instandhaltung eines Systems, in dem ein Realprozess ablaufbar ist, mit einer Simulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14 zum Simulieren mindestens eines Teils des Realprozesses durch den Simulationsprozess, wobei der Simulationsprozess zeitlich parallel zu dem Real­ prozess ausführbar ist.