EP3055745A1 - System zum flexiblen betreiben einer automatisierungsanlage - Google Patents

System zum flexiblen betreiben einer automatisierungsanlage

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Publication number
EP3055745A1
EP3055745A1 EP14771532.0A EP14771532A EP3055745A1 EP 3055745 A1 EP3055745 A1 EP 3055745A1 EP 14771532 A EP14771532 A EP 14771532A EP 3055745 A1 EP3055745 A1 EP 3055745A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
computer
investment
field devices
network
field device
Prior art date
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Ceased
Application number
EP14771532.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Romuald Girardey
Günter Jahl
Harald Freimark
Stefan Robl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP3055745A1 publication Critical patent/EP3055745A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/418—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS], computer integrated manufacturing [CIM]
    • G05B19/41845—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS], computer integrated manufacturing [CIM] characterised by system universality, reconfigurability, modularity
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/32—Operator till task planning
    • G05B2219/32019—Dynamic reconfiguration to maintain optimal design, fabrication, assembly
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/42—Servomotor, servo controller kind till VSS
    • G05B2219/42155—Model
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P80/00—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/10—Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/80—Management or planning

Definitions

  • the invention relates to a system for the flexible operation of an automation system of automation technology.
  • field devices are often used which serve to detect and / or influence process variables.
  • Process variables are measured by measuring devices, such as level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH meters, conductivity meters, etc., which record the respective process variables level, flow, pressure, temperature, pH or conductivity .
  • actuators are used, such as valves or pumps, via which e.g. the flow of a liquid in a pipeline or the level of a medium in a container is changed.
  • the term 'field device' used in connection with the invention thus includes all types of measuring devices and actuators.
  • field devices are also all devices which are used close to the process and which are process-relevant
  • Measuring devices / sensors and actuators are generally referred to as field devices also those units which are connected directly to a field bus and to
  • the bus systems can be designed both wired and wireless.
  • the at least one higher-level control unit is used for process control, process visualization, process monitoring and commissioning and operation of the field devices and is also referred to as a configuration / management system.
  • the field devices are connected to at least one PLC. Often several PLCs are connected in series
  • the known automation systems are hierarchically structured and have a static structure.
  • the disadvantage of a static or fixed wiring is that there is no flexibility in the structure and data exchange. Access to the field devices is only possible indirectly, since the field devices usually fix
  • the at least one PLC forms a central one
  • the invention has for its object to make a system of automation system flexible.
  • the object is achieved by a system having at least one computer and a multiplicity of field devices for determining and / or monitoring physical or chemical process variables, wherein the at least one computer and the field devices are network-capable and interconnected via a network or
  • each computer and each field device assigned a unique address in the network or can be assigned and wherein the communication is via a defined network protocol, wherein the networkable computer or the networkable computers at least one investment model is assigned to the
  • Investment model is designed so that it is flexible to different investment topologies, different investment functions and / or a different interaction of the field devices with each other and with the at least one computer adaptable, and wherein the at least one computer via the investment model, the automation system according to the current investment topology, the current System function and / or the current interaction of the field devices with each other and with the at least one computer controls.
  • All field devices are connected or connectable directly via a network (eg TCP / IP, WLAN, EtherCAT, Ethernet / IP, ModbusTCP, ProfiNET, ...) to at least one computer arranged in the cloud.
  • a network eg TCP / IP, WLAN, EtherCAT, Ethernet / IP, ModbusTCP, ProfiNET, .
  • Each of the field devices has a one-to-one address and is equipped to handle the network protocol.
  • the term "cloud” is understood to mean a usually redundant network of computers that has an internal or external network and a standard IT infrastructure. The system according to the invention offers increased security and flexibility against a hardware failure.
  • Field devices connected to the computers of the cloud can either send the data or measured values generated by them cyclically automatically, or the field devices deliver the data or measured values to the computers via a classical request / reply communication via polling.
  • the investment system according to the invention is mapped virtualized via an investment model in the cloud.
  • the investment model corresponds to the investment structure and the investment function and defines the interaction of the field devices.
  • the investment model is one
  • An asset is model-based planned and executed as a software model.
  • the cloud provides computing and storage capacity for the execution of the investment model.
  • Each model of the system may have u.U. also other properties. So can the
  • adjustments may reflect changes in product characteristics or the amount of product fume.
  • it can be adapted to changed energy tariffs during different times of day, failed system parts can be replaced by any existing equivalent redundant system parts, etc.
  • changing the investment model it may u.U. necessary, the
  • the automation system can be scaled much easier, i. the plant can be extended by additional field devices, since the plant topology is independent of the underlying network structure. This is not possible in the prior art, since only one defined, maximum possible number of field devices can be connected to a controller. If this maximum possible number is exceeded, an additional controller must be used.
  • the processing capacity of the computers in the cloud can also be done without
  • the system can be optimally adapted in terms of energy consumption, waste reduction or yield and the speed with which a process takes place in the system. For example, it is possible to
  • the solution according to the invention is highly reliable against failure, a) If a measuring device fails, the corresponding measured value is obtained from an alternative, equivalent source. For example, in the event of failure of a temperature sensor, the system structure is redesigned so that an alternative temperature sensor located in the system from another
  • Measuring system e.g. a pH sensor or a flow sensor
  • the plant has a high variability.
  • it is possible to use different products in the system e.g. produce a product A and a product B, as the system can be adapted to the manufacturing process of different products.
  • An advantageous embodiment of the system according to the invention provides for a plurality of computers, that is to say a computer network, the computers being redundant and / or diversified are configured and the computers work redundantly or in combination with each other.
  • any safety standards can be implemented in an automation system. Redundancy means increased safety through double or multiple design of all safety-related hardware and software components. Diversity means that the hardware components responsible for the measurement conditioning, such as one
  • Microprocessor come from different manufacturers and / or that they are of different types. In the case of software components, diversity requires that the software stored in the computers come from different sources, ie from different manufacturers or programmers.
  • Automation system runs a production process that controls at least one computer the process flow production process so that the yield of the products produced is maximum and / or that the amount of waste generated is minimal.
  • Predictive Maintenance, and Advanced Diagnostics ie generation of additional information, eg lifetime of the field device, from diagnostic data, recognizes the at least one computer based on the diagnostic data malfunction and / or predictable or actual failures of faulty field devices. Furthermore, upon detection of a malfunction, the computer transmits the system function of the malfunctioning or failed field device to at least one redundant field device which is likewise available to the system and which is able to take over the system function of the faulty or failed field device.
  • a display is provided on the field device or an external service tool via which the field device is serviced, in particular adjusted, calibrated or verified, or a mobile service tool is provided, which waits for the field device via the at least one computer, in particular adjusted, calibrated or verified.
  • maintenance is defined as either the adjustment (for example, the correction of the calibration factor), the calibration (the determination of the measurement deviation) or the verification (the verification of the calibration factor)
  • the cloud can easily handle at least one
  • Diagnostic data of the sensors / actuators supplied to the computers of the cloud whereby it is possible to process the diagnostic data in the overall context of the system.
  • the known systems for operating an automation system the
  • Diagnostic data is defined and processed using a separate condition monitoring system.
  • the device is locally maintained via a display or a service tool locally and thus without connection to the cloud.
  • the calibration via the connection to the cloud realized via a mobile device (such as a smartphone, a laptop or a tablet).
  • the cloud is used in the first case as a connection to the field device; the calibration routines continue to run in the field device here.
  • the complete calibration algorithm including the possibly associated menu guidance runs completely in the cloud - automatically or on manual request.
  • a high degree of availability of the system according to the invention can be achieved if the network-capable computer or the network-capable computers are assigned several investment models that the investment topology, the investment function and the interaction of the field devices with each other and with the at least one computer for different automation systems and / or virtually map production processes, and wherein the computer or the computer, the production plant so
  • the invention relates to a system in which field device-specific or field device type-specific drivers are provided for the individual field devices, the at least one computer parameterizing the field devices via the drivers in such a way that they can be used in the production process and / or in the automation system which corresponds to the selected investment model.
  • the firmware and / or the device drivers of the individual field devices are preferably assigned to the at least one computer.
  • each of the field devices is associated with an electronics, wherein the electronics is configured either as minimum electronics, the raw data of the field devices available - for example, electrical signals that the
  • Information about the process size include - or the electronics is as
  • Transmitter designed and provides processed and / or evaluated data.
  • the electronics are a minimum of electronics
  • the at least one computer performs the processing and / or evaluation of the data provided.
  • the "intelligence" of the field devices is shifted to the cloud, and the evaluation of the data takes place in the cloud.
  • a coupler is provided which makes the field device networkable.
  • the intelligent field device is capable of providing those available in the field device
  • Raw data and the processed and / or evaluated data transmitted to the at least one computer wherein the computer prepares the raw data and / or evaluates and compares the provided prepared and / or evaluated data with the data prepared by the computer and / or evaluated become. It is therefore possible to verify the data transmitted by the field device in the cloud.
  • field devices which can be used are classical field devices which contain the complete signal processing.
  • such field devices are referred to as intelligent (SMART) sensors or actuators.
  • SMART intelligent
  • An example of this is a Coriolis or pH transmitter.
  • the signal processing of field devices can also be easily transferred to the cloud in the system according to the invention.
  • the field device e.g. In this case, a sensor merely takes care of coupling to the analogue world; digital signal processing no longer takes place in the field device itself, but rather in the cloud.
  • improved diagnostic and measurement algorithms are used, which were previously not possible due to size limitations in the firmware in the field devices.
  • the previously extremely time-consuming and complicated firmware updates of the field devices can be realized by a central update of the software in the cloud.
  • the hardware complexity and thus the price of the field devices can also be reduced.
  • By updating the field device algorithms in the cloud an update during operation of the field device can also be realized. This is a temporary parallel operation of old and new
  • Measuring operation must be interrupted.
  • the at least one computer, the firmware and / or the device driver of the individual field devices in at least two different versions, one
  • First version and a successor version are assigned / is and that the at least one computer replaced the first version during operation of the automation system by the successor version, as soon as the successor version works correctly.
  • the investment model or investment models is / are modular and that in the case of multiple computers, the modular investment model and the investment models are divided among the individual computers.
  • the software structure of the cloud is modularized.
  • the cloud software infrastructure can be distributed on the available hardware and adapt to changes, in particular extensions in the hardware resources.
  • the modularity gives the possibility of individual during operation
  • An advantageous further development of the system according to the invention provides that the investment model or investment models are developed on a test system and tested with virtual field device models and that the developed investment model is copied or transferred after the test phase to at least one analog automation system.
  • a plant operator has several physically identical plants, it is possible to develop and optimize the plant model on a plant or on a test plant and then transfer it to the identical plants by means of a "copying process". Thus, a significant simplification of the plant commissioning and plant maintenance can be achieved.
  • a test system with virtual field device models will be developed, simulated and tested. An investment model developed in this way is subsequently transferred to a real investment using "Copy & Paste". Findings from the practical operation of the plant are then transferred to the simulation, where they are optimized and reused in the real operation of the plant. An iterative optimization process is thus carried out. In addition, worst-case scenarios can be checked and improved on the basis of the real investment model.
  • the possibility opens up of copying or transmitting a tested investment model or tested investment models of an automation plant to identical automation plants.
  • the system according to the invention is integrated into an internal company network.
  • the communication is preferably via a VPN tunnel structure.
  • an operator-internal local cloud is to be preferred.
  • the tunnel structure can be extended, so that spatially very large plants can be realized. Examples include gas pipelines, wind farms, water distribution networks, etc.
  • the field devices are operated via the computer or via a mobile operating tool. As a result, the field device can be made specifically for the operation
  • Web server the operation alternatively via a standard device driver.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a system known from the prior art for operating an automation system
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of an embodiment of the system according to the invention for operating an automation system
  • FIG. 3 shows a schematic representation which illustrates how two different automation systems can be operated via the system according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a known from the prior art system for operating an automation system.
  • the automation system is, as already mentioned, for example, the production of a product, the filling of a medium, the control of a sewage treatment plant, etc.
  • controllers PLC A, PLC B are arranged on the field level depending on the size of the plant.
  • the PLC A, PLC B controllers supply theirs from the
  • Field devices A, S collected data and / or further processed measured values to a higher-level control unit, e.g. a SCADA.
  • a SCADA higher-level control unit
  • Control level a high speed bus BS, e.g. Industrial Ethernet, too
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an embodiment of the system according to the invention for operating an automation system.
  • the automation system itself is not shown separately in FIG. 1. However, as already said several times, it can be any industrial plant.
  • the monitoring and / or control of the system also takes place here via different field devices A, S. In the case shown are actuators A and sensors S.
  • the field devices A, S serve for the determination and / or monitoring of physical or chemical
  • the number of computers RE depends on the extent of the calculation and control operations predetermined and to be performed by the at least one investment model AM and also on the desired one
  • Both the computers RE and the field devices A, S must be configured network-capable. They are connected or connectable via a network - ie a wireless or wired Internet or intranet. Each computer RE and each field device A, S is a unique address in the
  • the investment model AM is a virtual image, ie a software image of the system for operating the respective automation system, the investment topology, the investment function and the interaction of the field devices S, A with each other and with the computers RE possibly on the time track describes.
  • the investment model AM is designed such that it can be flexibly adapted to different investment topologies, different investment functions and / or a different interaction of the field devices A, S with each other and with the computers RE.
  • the computers RE control via the respective investment model AM the automation system according to the current investment topology, the current investment function and / or the current interaction of the field devices A, S with each other and with the at least one computer RE.
  • Field devices A, S coupled to the cloud can use the data generated by them or
  • cloud computing Either automatically send measured values cyclically or deliver them to the cloud via a classic request / reply communication via polling by the computers in the cloud.
  • cloud computing or
  • Cloud computing describes the approach, abstracted IT infrastructures, such as hardware, computing capacity, data storage,
  • the system according to the invention makes it possible, if necessary, flexible between
  • the computer RE 2 is in connection with the actuator A1 and the two sensors S1, S2.
  • the computer RE 3 also has connection to the sensor S2 - again redundancy is given here -, the sensor S3 and the actuator A2.
  • the investment model AM B differs from the investment model AM A.
  • two computers RE1, RE3 are needed to operate the automation system.
  • the computer RE1 is connected to the sensor S2 and the additional sensor S4 as well as to the actuator A3.
  • the computer RE3 is according to investment model AM B in conjunction with the sensors S2, S3, S4 and the additional actuator A4. Either there is redundancy and / or diversity again here with respect to the sensors S2 and S4, or individual modules of the software for operating the system are stored in each computer.
  • the computer RE1 could process the raw data of the sensor S4 and process it into measured values, while the computer RE3 carries out a diagnosis on the sensor S4. Or both computers RE1, RE3 can process the raw data and compare the results with each other for verification.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum flexiblen Betreiben einer Automatisierungsanlage mit zumindest einem Rechner (RE) und einer Vielzahl von Feldgeräten (A, S) zur Bestimmung und/oder Überwachung von physikalischen oder chemischen Prozessgrößen, wobei der zumindest eine Rechner (RE) und die Feldgeräte (A, S) netzwerkfähig ausgestaltet und über ein Netzwerk miteinander verbunden bzw. verbindbar sind, wobei jedem Rechner (RE) und jedem Feldgerät (A, S) eine eindeutige Adresse in dem Netzwerk zugeordnet bzw. zuordenbar und wobei die Kommunikation über ein definiertes Netzwerkprotokoll erfolgt, wobei dem netzwerkfähigen Rechner (RE) bzw. den netzwerkfähigen Rechnern (RE) zumindest ein Anlagemodell (AM) zugeordnet ist, das die Anlagetopologie, die Anlagefunktion und das Zusammenwirken der Feldgeräte (S, A) untereinander und mit dem zumindest einen Rechner (RE) virtuell abbildet, wobei das Anlagemodell (AM) so ausgestaltet ist, dass es flexibel an unterschiedliche Anlagetopologien, unterschiedliche Anlage-funktionen und/oder ein unterschiedliches Zusammenwirken der Feldgeräte (A, S) untereinander und mit dem zumindest einen Rechner (RE) adaptierbar ist, und wobei der zumindest eine Rechner (RE) über das Anlagemodell (AM) die Automatisierungsanlage entsprechend der aktuellen Anlagetopologie, der aktuellen Anlagefunktion und/oder dem aktuellen Zusammenwirken der Feldgeräte (A, S) untereinander und mit dem zumindest einen Rechner (RE) steuert.

Description

System zum flexiblen Betreiben einer Automatisierungsanlage
Die Erfindung betrifft ein System zum flexiblen Betreiben einer Automatisierungsanlage der Automatisierungstechnik.
In der Prozess- ebenso wie in der Fabrikautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmess-geräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH- Messgeräte, Leitfähigkeits-messgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung der Prozessgrößen werden Aktoren verwendet, wie Ventile oder Pumpen, über die z.B. der Durchfluss einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung oder der Füllstand eines Mediums in einem Behälter geändert wird. Unter dem in Verbindung mit der Erfindung verwendeten Begriff 'Feldgerät' sind somit alle Typen von Messgeräten und Aktoren zu subsumieren.
Als Feldgeräte werden darüber hinaus in Zusammenhang mit der Erfindung auch alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante
Informationen liefern oder verarbeiten. Neben den zuvor genannten
Messgeräten/Sensoren und Aktoren werden als Feldgeräte allgemein auch solche Einheiten bezeichnet, die direkt an einem Feldbus angeschlossen sind und zur
Kommunikation mit der übergeordneten Einheit dienen, wie z.B. Remote I/Os, Gateways, Linking Devices und Wireless Adapter bzw. Funkadapter. Eine Vielzahl solcher
Feldgeräte wird von der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
In modernen Automatisierungsanlagen erfolgt die Kommunikation zwischen zumindest einer auf der Steuerungsebene angeordneten Steuereinheit und den Feldgeräten in der Regel über zumindest ein Bussystem, wie beispielsweise Profibus®, Foundation
Fieldbus® oder HART®. Die Bussysteme können sowohl drahtgebunden als auch drahtlos ausgestaltet sein. Die zumindest eine übergeordnete Steuereinheit dient zur Prozesssteuerung, zur Prozessvisualisierung, zur Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme und Bedienung der Feldgeräte und wird auch als Konfigurier- /Managementsystem bezeichnet. Auf der Feldebene sind die Feldgeräte mit zumindest einer PLC verbunden. Oftmals sind mehrere PLCs in Reihenschaltung
zusammengeschaltet. Die bekannten Automatisierungs-systeme sind hierarchisch aufgebaut und weisen eine statische Struktur auf. Der Nachteil einer statischen bzw. fixen Verdrahtung ist darin zu sehen, dass keine Flexibilität in der Struktur und im Datenaustausch gegeben ist. Der Zugriff auf die Feldgeräte ist nur indirekt möglich, da die Feldgeräte üblicherweise fix
zusammengeschaltet sind. Die zumindest eine PLC bildet einen zentralen
„Knotenpunkt" und stellt somit einen Single Point of Failure dar. Dies kann die
Verfügbarkeit der Automatisierungsanlage erheblich einschränken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System der Automatisierungs-anlage flexibel zu gestalten.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein System mit zumindest einem Rechner und einer Vielzahl von Feldgeräten zur Bestimmung und/oder Überwachung von physikalischen oder chemischen Prozessgrößen, wobei der zumindest eine Rechner und die Feldgeräte netzwerkfähig ausgestaltet und über ein Netzwerk miteinander verbunden bzw.
verbindbar sind, wobei jedem Rechner und jedem Feldgerät eine eindeutige Adresse in dem Netzwerk zugeordnet bzw. zuordenbar ist und wobei die Kommunikation über ein definiertes Netzwerkprotokoll erfolgt, wobei dem netzwerkfähigen Rechner bzw. den netzwerkfähigen Rechnern zumindest ein Anlagemodell zugeordnet ist, das die
Anlagetopologie, die Anlagefunktion und das Zusammenwirken der Feldgeräte untereinander und mit dem zumindest einen Rechner virtuell abbildet, wobei das
Anlagemodell so ausgestaltet ist, dass es flexibel an unterschiedliche Anlagetopologien, unterschiedliche Anlagefunktionen und/oder ein unterschiedliches Zusammenwirken der Feldgeräte untereinander und mit dem zumindest einen Rechner adaptierbar ist, und wobei der zumindest eine Rechner über das Anlagemodell die Automatisierungsanlage entsprechend der aktuellen Anlagetopologie, der aktuellen Anlagefunktion und/oder dem aktuellen Zusammenwirken der Feldgeräte untereinander und mit dem zumindest einen Rechner steuert.
Alle Feldgeräte (Aktoren, Sensoren) sind direkt über ein Netzwerk (z.B. TCP/IP, WLAN, Ethercat, Ethernet/IP, ModbusTCP, ProfiNET, ...) mit zumindest einem in der Cloud angeordneten Rechner verbunden bzw. verbindbar. Jedes der Feldgeräte hat eine eineindeutige Adresse und ist so ausgestattet, dass es das Netzwerkprotokoll beherrscht. Unter dem Begriff " Cloud" wird im Zusammenhang mit der Erfindung ein üblicherweise redundanter Verbund von Rechnern verstanden, der über ein internes oder externes Netzwerk und eine Standard-IT-Infrastruktur verfügt. Das erfindungsgemäße System bietet erhöhte Sicherheit und Flexibilität gegenüber einem Hardwareausfall. Mit den Rechnern der Cloud verbundene Feldgeräte können die von ihnen generierten Daten bzw. Messwerte entweder automatisch zyklisch versenden, oder die Feldgeräte liefern die Daten bzw. Messwerte über eine klassische Request/Reply-Kommunikation via Polling an die Rechner ab.
Das erfindungsgemäße Anlagesystem wird virtualisiert über ein Anlagemodell in der Cloud abgebildet. Das Anlagemodell entspricht der Anlagestruktur und der Anlagefunktion und definiert das Zusammenspiel der Feldgeräte. Das Anlagemodell ist ein
Softwaremodell, das in der Cloud ausgeführt wird. Eine Anlage wird modellbasierend geplant und als Softwaremodell ausgeführt.
Die Cloud stellt Rechen- und Speicherkapazität für die Ausführung des Anlagemodells zur Verfügung. Jedes Modell der Anlage besitzt u.U. auch weitere Eigenschaften. So können die
Anlagefunktionalität und die Verschaltung bzw. das Zusammenspiel der einzelnen Feldgeräte in weiten Grenzen variiert werden. Hierdurch kann die Anlage optimiert und an veränderte Anforderungen an die Anlage und in der Anlage angepasst werden.
Beispielsweise können Anpassungen Änderungen der Produkteigenschaften oder der Produktaustoßmenge widerspiegeln. Es kann weiterhin eine Anpassung an geänderte Energietarife während unterschiedlicher Tageszeiten durchgeführt werden, ausgefallene Anlageteile können durch ggf. vorhandene gleichwertige redundante Anlageteile ersetzt werden, usw. Bei einem Wechsel des Anlagemodells ist es u.U. notwendig, die
Feldgeräte neu zu parametrieren.
Durch die Erfindung lässt sich die Automatisierungsanlage wesentlich leichter skalieren, d.h. die Anlage lässt sich durch zusätzliche Feldgeräte erweitern, da die Anlagetopologie unabhängig ist von der darunterliegenden Netzwerkstruktur. Dies ist im Stand der Technik nicht möglich, da an eine Steuerung nur eine definierte, maximal mögliche Anzahl von Feldgeräten angeschlossen werden kann. Wird diese maximal mögliche Anzahl überschritten, muss eine zusätzliche Steuerung eingesetzt werden.
Die Verarbeitungskapazität der Rechner in der Cloud lässt sich ebenfalls ohne
Umstrukturierungsmaßnahmen in der Anlage nahezu beliebig erweitern und somit an wachsende Anforderungen anpassen.
Der komplette Kontext der Anlage, d.h. alle angeschlossenen Sensoren, Aktoren, deren Verschaltung und Funktionalität, ist zu jedem Zeitpunkt uneingeschränkt zugänglich und bekannt, da die Anlage - anders als in hierarchisch konzipierten Anlagen - hierarchisch flach ausgestaltet ist.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet mehrere Vorteile gegenüber einer bekannten statischen Lösung:
Mittels der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, eine
Automatisierungsanlage an unterschiedliche in einer Anlage ablaufende Prozesse anzupassen, da das erfindungsgemäße System einfach und flexibel an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann.
Die Anlage kann bezüglich des Energieverbrauchs, der Abfallreduktion bzw. der Ausbeute und bezüglich der Geschwindigkeit, mit der ein Prozess in der Anlage abläuft, optimal angepasst werden. Beispielsweise ist es möglich, den
kostengünstigeren Nachtstromtarif zu nutzen, indem die
Produktionsgeschwindigkeit zur Nachtzeit erhöht wird. Unter Prozess sind übrigens alle in der Industrie gängigen Prozesse zu verstehen, z.B.
Herstellungsprozesse, Fermentations-prozesse, Abfüllprozesse, usw.
Die erfindungsgemäße Lösung ist in hohem Maße sicher gegen Ausfall, a) Fällt ein Messgerät aus, so wird der entsprechende Messwert aus einer alternativen, gleichwertigen Quelle bezogen. Beispielsweise wird beim Ausfall eines Temperatursensors die Anlagestruktur so umgestaltet, dass ein in der Anlage befindlicher alternativer Temperatursensor aus einem anderen
Messsystem, z.B. einem pH-Sensor oder einem Durchflusssensor, die
notwendigen Temperatur-messwerte liefert.
- b) Fällt ein Anlageteil aus, so kann seine Funktion von einem redundanten
Anlageteil übernommen werden.
Da z.B. ein Messwert von verschiedenen gleichwertigen Messgeräten geliefert wird, ist es möglich, in der Anlage eine Advanced Diagnostics auszuführen.
Die Anlage besitzt eine hohe Variabilität. Insbesondere ist es möglich, in der Anlage unterschiedliche Produkte, z.B. ein Produkt A und ein Produkt B herzustellen, da das System an den Herstellungsprozess unterschiedlicher Produkte angepasst werden kann.
Die Anlage kann jederzeit durch Hinzufügen neuer Feldgeräte und durch
Erhöhung der Ressourcen des Rechnerverbunds skaliert bzw. erweitert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht mehrere Rechner, also einen Rechnerverbund vor, wobei die Rechner redundant und/oder diversitär ausgestaltet sind und wobei die Rechner redundant oder in Kombination miteinander arbeiten.
Darüber hinaus ist es möglich, eine diversitare und/oder redundante Signalverarbeitung in der Cloud zu betreiben. Insbesondere können z.B. zwei getrennte Signalverarbeitungen eines Feldgeräts in der Cloud durchgeführt werden. Alternativ kann eine
Signalverarbeitung von einem intelligenten Feldgerät und einer weiteren diversitären Signalverarbeitung in der Cloud ausgeführt werden. Die Ausgänge der beiden redundanten und/oder diversitären Signalverarbeitungen werden anschließend mittels eines Entscheiders verglichen. Im Falle einer signifikanten Abweichung wird eine Fehlermeldung generiert. Erfindungsgemäß lassen sich beliebige Sicherheitsstandards in einer Automatisierungsanlage realisieren. Redundanz bedeutet erhöhte Sicherheit durch doppelte oder mehrfache Auslegung aller sicherheitsrelevanter Hard- und Software-Komponenten. Diversität bedeutet, dass die für die Messwertaufbereitung zuständigen Hardware-Komponenten, wie z.B. ein
Mikroprozessor, von unterschiedlichen Herstellern stammen und/oder dass sie von unterschiedlichem Typ sind. Im Falle von Software-Komponenten erfordert die Diversität, dass die in den Rechnern gespeicherte Software aus unterschiedlichen Quellen, sprich von unterschiedlichen Herstellern bzw. Programmierern stammt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass für den Fall, dass in der Automatisierungsanlage z.B. ein
Produktionsprozess oder ein Abfüllprozess abläuft, der zumindest eine Rechner die
Produktionsgeschwindigkeit durch Adaption der aktuellen Anlagefunktionen und/oder des aktuellen Zusammenwirkens der Feldgeräte untereinander und mit dem zumindest einen Rechner so steuert, dass der Energieverbrauch der Automatisierungsanlage optimiert ist. In Kombination oder alternativ wird vorgeschlagen, dass für den Fall, dass in der
Automatisierungsanlage ein Produktionsprozess abläuft, der zumindest eine Rechner den Ablauf Produktionsprozesses so steuert, dass die Ausbeute der erzeugten Produkte maximal ist und/oder dass die Menge an anfallenden Abfallprodukten minimal ist. Mit beiden zuvor genannten Ausgestaltungen lässt sich die Produktivität einer
Automatisierungsanlage optimieren.
Im Hinblick auf Predictive Maintenance, also Vorausschauende Wartung, und Advanced Diagnostics, also Generierung von Zusatzinformation, z.B. Lebensdauer des Feldgeräts, aus Diagnosedaten, erkennt der zumindest eine Rechner anhand der Diagnosedaten Fehlfunktionen und/oder vorhersehbare oder tatsächliche Ausfälle von fehlerhaften Feldgeräten. Weiterhin überträgt der Rechner bei Erkennen einer Fehlfunktion die Anlagefunktion des fehlerhaft arbeitenden oder ausgefallenen Feldgeräts auf zumindest ein redundantes, dem System gleichfalls zur Verfügung stehendes Feldgerät, das in der Lage ist, die Anlagefunktion des fehlerhaften oder ausgefallenen Feldgeräts zu übernehmen.
Darüber hinaus ist ein Display an dem Feldgerät oder ein externes Servicetool vorgesehen, über das das Feldgerät gewartet, insbesondere justiert, kalibriert oder verifiziert wird, oder es ist ein mobiles Servicetool vorgesehen, das das Feldgerät über den zumindest einen Rechner wartet, insbesondere justiert, kalibriert oder verifiziert. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Feldgeräte zu warten. Unter Wartung wird in diesem Kontext entweder die Justierung (z.B. die Korrektur des Kalibrierfaktors), die Kalibrierung (die Ermittlung der Messabweichung) oder die Verifikation (die Überprüfung der
Gerätefunktion) verstanden. Die Cloud kann problemlos um zumindest eine
Diagnosefunktionalität erweitert werden. Bevorzugt werden alle verfügbaren
Diagnosedaten der Sensoren/Aktoren den Rechnern der Cloud zugeleitet, wodurch es möglich ist, die Diagnosedaten im Gesamtkontext der Anlage zu verarbeiten. Bei den bekannten Systemen zum Betreiben einer Automatisierungsanlage müssen die
Diagnosedaten über ein separates Kondition-Monitoring-System definiert und verarbeitet werden.
In der ersten Variante wird das Gerät vor Ort über ein Display oder ein Service-Tool lokal und somit ohne Verbindung zur Cloud gewartet.
In der zweiten Variante wird z.B. über ein mobiles Endgerät (z.B. ein Smartphone, einen Laptop oder ein Tablet) beispielsweise die Kalibrierung über die Verbindung zur Cloud realisiert. Hierbei wird die Cloud im ersten Fall als Verbindung zum Feldgerät verwendet; die Kalibrierroutinen laufen hier weiterhin im Feldgerät ab. Im zweiten Fall läuft der komplette Kalibrier-algorithmus inklusive der ggf. zugehörigen Menüführung vollständig in der Cloud ab - und zwar automatisch oder auf manuelle Anforderung hin.
Als besonders vorteilhaft wird es im Zusammenhang mit der Erfindung angesehen, wenn der zumindest eine Rechner während des Produktionsablaufs zumindest eine
Verifikationsphase durchführt und die Information über den verifizierten Produktionsablauf in zumindest einer dem Rechner/den Rechnern zugeordneten Speichereinheit speichert. Da die Anlage über das in der Cloud hinterlegte Anlagemodell Kenntnis über den gesamten Produktionsprozess besitzt, und zwar sowohl über die zu produzierenden Produkte als auch über den zeitlichen Prozessablauf, kann im Produktionsablauf eine automatische Verifikationsphase angestoßen werden. Die entsprechenden Reports können in der Cloud verwaltet werden. Bevorzugt werden sie über Polling durch die Cloud an diese übermittelt.
Ein hohes Maß an Verfügbarkeit des erfindungsgemäßen Systems lässt sich erreichen, wenn dem netzwerkfähigen Rechner bzw. den netzwerkfähigen Rechnern mehrere Anlagemodelle zugeordnet sind, die die Anlagetopologie, die Anlagefunktion und das Zusammenwirken der Feldgeräte untereinander und mit dem zumindest einen Rechner für unterschiedliche Automatisierungs-anlagen und/oder Produktionsprozesse virtuell abbilden, und wobei der Rechner bzw. die Rechner die Produktionsanlage so
steuert/steuern, dass ein ausgewähltes Anlagemodell zur Anwendung kommt und der entsprechende Produktionsprozess in der Automatisierungsanlage ablaufen kann.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein System, bei dem feldgeräte-spezifische oder feldgerätetyp-spezifische Treiber für die einzelnen Feldgeräte vorgesehen sind, wobei der zumindest eine Rechner die Feldgeräte über die Treiber so parametriert, dass sie in dem Produktionsprozess und/oder in der Automatisierungsanlage einsetzbar sind, der/die dem ausgewählten Anlagemodell entsprechen/entspricht. Bevorzugt sind die Firmware und/oder die Gerätetreiber der einzelnen Feldgeräte dem zumindest einen Rechner zugeordnet.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass jedem der Feldgeräte eine Elektronik zugeordnet ist, wobei die Elektronik entweder als Minimalelektronik ausgestaltet ist, die Rohdaten der Feldgeräte zur Verfügung stellt - beispielsweise also elektrische Signale, die die
Information über die Prozessgröße beinhalten -, oder die Elektronik ist als
Auswerteelektronik ausgestaltet und stellt aufbereitete und/oder ausgewertete Daten zur Verfügung. Für den Fall, dass es sich bei der Elektronik um eine Minimalelektronik handelt, nimmt der zumindest eine Rechner die Aufbereitung und/oder Auswertung der zur Verfügung gestellten Daten vor. Die "Intelligenz" der Feldgeräte ist in die Cloud verlagert, und die Auswertung der Daten erfolgt in der Cloud.
Handelt es sich bei dem Feldgerät um ein Feldgerät mit einem analogen Stromausgang, so ist ein Koppler vorgesehen, der das Feldgerät netzwerkfähig macht.
Generell ist es möglich, ein klassisches PLC-basiertes Anlagesystem sukzessiv in ein Cloud-basiertes erfindungsgemäßes System zu überführen, in dem Teile der klassisch realisierten Anlage durch netzwerkbasierte Feldgeräte ersetzt werden. Für den Fall, dass es sich bei der Elektronik um eine Auswerteelektronik handelt, ist das intelligente Feldgerät in der Lage, die in dem Feldgerät zur Verfügung stehenden
Rohdaten und die aufbereiteten und/oder ausgewerteten Daten an den zumindest einen Rechner übermittelt, wobei der Rechner die Rohdaten aufbereitet und/oder auswertet und die zur Verfügung gestellten aufbereiteten und/oder ausgewerteten Daten mit den Daten vergleicht, die vom Rechner aufbereitet und/oder ausgewertet werden. Es besteht somit die Möglichkeit, die von dem Feldgerät übermittelten Daten in der Cloud zu verifizieren.
Wie bereits erwähnt, können als Feldgeräte klassische Feldgeräte verwendet werden, welche die komplette Signalverarbeitung beinhalten. Im allgemeinen werden derartige Feldgeräte als intelligente (SMART) Sensoren bzw. Aktoren bezeichnet. Ein Beispiel hierfür ist ein Coriolis- oder pH-Transmitter.
Die Signalverarbeitung von Feldgeräten kann jedoch bei dem erfindungsgemäßen System auch problemlos in die Cloud verlagert werden. Das Feldgerät, z.B. ein Sensor kümmert sich in diesem Fall lediglich um die Ankopplung an die Analogwelt, die digitale Signalverarbeitung findet nicht mehr im Feldgerät selbst, sondern in der Cloud statt. Hierdurch können z.B. verbesserte Diagnose- und Messalgorithmen zum Einsatz kommen, die bisher durch Größenbeschränkungen in der Firmware in den Feldgeräten nicht möglich waren. Die bisher äußerst zeitaufwändigen und komplizierten Firmware Updates der Feldgeräte können durch ein zentrales Update der Software in der Cloud realisiert werden. Die Hardwarekomplexität und damit der Preis der Feldgeräte kann hierdurch ebenfalls reduziert werden. Durch die Aktualisierung der Feldgeräte- Algorithmen in der Cloud kann zudem ein Update während des Betriebs des Feldgeräts realisiert werden. Hierbei wird ein temporärer Parallelbetrieb aus alten und neuen
Algorithmen vorgenommen. Sobald die neuen Algorithmen z.B. im Falle eines Sensors einen stabilen Messbetrieb aufweisen, die Einschwingvorgänge also beendet sind, kann von den alten Algorithmen auf die neuen umgeschaltet werden, ohne dass der
Messbetrieb unterbrochen werden muss.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass dem zumindest einen Rechner die Firmware und/oder die Gerätetreiber der einzelnen Feldgeräte in zumindest zwei unterschiedlichen Versionen, einer
Erstversion und einer Nachfolgeversion, zugeordnet sind/ist und dass der zumindest eine Rechner die Erstversion während des Betriebs der Automatisierungsanlage durch die Nachfolgeversion ersetzt, sobald die Nachfolgeversion fehlerfrei arbeitet. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Anlagemodell bzw. die Anlagemodelle modular aufgebaut ist/sind und dass im Falle von mehreren Rechnern das modular aufgebaute Anlagemodell bzw. die Anlagemodelle auf die einzelnen Rechner aufgeteilt sind. In einer Ausgestaltung ist z.B. die Softwarestruktur der Cloud modularisiert. Hierdurch kann sich die Cloud-Software-Infrastruktur auf der zur Verfügung stehenden Hardware verteilen und Veränderungen, insbesondere Erweiterungen in den Hardwareressourcen anpassen. Durch die Modularität ergibt sich die Möglichkeit, während des Betriebs einzelne
Softwarekomponenten der Cloud auszutauschen, ohne den Normalbetrieb der Anlage zu unterbrechen. Gleiches gilt für die Feldgerätetreiber. Um die Vielfalt von Feldgeräten bedienen zu können, muss - bei Nicht-Vorhandensein eines WebServers - eine
Bibliothek bzw. eine Datenbank von Treibern, z.B. von DTMs, vorgehalten werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass das Anlagemodell bzw. die Anlagemodelle auf einem Testsystem entwickelt und mit virtuellen Feldgerätemodellen getestet wird/werden und dass das entwickelte Anlagemodell nach der Testphase auf zumindest eine analog aufgebaute Automatisierungsanlage kopiert bzw. übertragen wird.
Hat ein Anlagebetreiber mehrere physikalisch identische Anlagen, so ist es möglich, das Anlagemodell auf einer Anlage bzw. auf einer Testanlage zu entwickeln und zu optimieren und anschließend auf die identischen Anlagen durch einen "Kopiervorgang" zu übertragen. Somit lässt sich eine deutliche Vereinfachung der Anlageinbetriebnahme und der Anlagewartung erreichen. Außerdem ist vorgesehen, dass eine Testanlage mit virtuellen Feldgerätemodellen entwickelt, simuliert und getestet wird. Ein auf diese Weise entwickeltes Anlagemodell wird im Anschluss auf eine reale Anlage mittels "Copy&Paste" übertragen. Erkenntnisse aus dem praktischen Betrieb der Anlage werden anschließend in die Simulation überführt, dort optimiert und erneut in den realen Betrieb der Anlage übernommen. Es wird somit ein iterativer Optimierungsprozess durchgeführt. Zusätzlich können auf diese Weise Worst- Case Szenarien anhand des realen Anlagemodells überprüft und verbessert werden.
Insbesondere eröffnet sich die Möglichkeit, ein getestetes Anlagemodell bzw. getestete Anlagemodelle einer Automatisierungsanlage auf identische Automatisierungsanlagen zu kopieren bzw. zu übertragen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das erfindungsgemäße System in ein internes Firmennetzwerk integriert. Für den Fall, dass zumindest teilweise über ein externes frei zugängliches Netzwerk kommuniziert wird, erfolgt die Kommunikation bevorzugt über eine VPN Tunnelstruktur. Um die Zugriffsicherheit zu gewährleisten, ist eine betreiber-interne lokale Cloud zu bevorzugen. Über VPN-Tunnelstrukturen lässt sich die Tunnelstruktur erweitern, so dass sich auch räumlich sehr ausgedehnte Anlagen realisieren lassen. Beispiele sind z.B. Gaspipelines, Windparks, Wasserverteilnetze, usw.
Als besonders günstig wird es in Verbindung mit der Erfindung angesehen, wenn zumindest in einen Teil der Feldgeräte ein WebServer integriert ist und wenn die
Bedienung der Feldgeräte über den Rechner oder über ein mobiles Bedientool erfolgt. Hierdurch lässt sich das Feldgerät einen eigens für die Bedienung hergestellten
Gerätetreiber bedienen. Selbstverständlich kann im Falle eines Feldgeräts ohne
WebServer die Bedienung alternativ über einen üblichen Gerätetreiber erfolgen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Systems zum Betreiben einer Automatisierungsanlage, Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems zum Betreiben einer Automatisierungsanlage,
Fig. 3: eine schematische Darstellung, die verdeutlicht, wie über das erfindungsgemäße System zwei unterschiedliche Automatisierungsanlagen bedient werden können.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Systems zum Betreiben einer Automatisierungsanlage. Die Automatisierungsanlage dient, wie bereits zuvor erwähnt, beispielsweise der Herstellung eines Produkts, der Abfüllung eines Mediums, der Steuerung einer Kläranlage, usw.
Bekannte Systeme zum Betreiben einer Automatisierungsanlage sind streng hierarchisch strukturiert. Üblicherweise sind auf der Feldebene je nach Größe der Anlage mehrere Steuerungen PLC A, PLC B angeordnet. Die Kommunikation zwischen den Steuerungen PLC A, PLC B und den an vorhergehender Stelle bereits näher definierten prozessnahen Feldgeräten A, S, die an eine der Steuerungen PLC A, PLC B angekoppelt sind, erfolgt über zumindest einen der in der Automatisierungstechnik gebräuchlichen Feldbusse FB. Eine direkte Kommunikation zwischen den einzelnen Steuerungen PLC A, PLC B ist ausgeschlossen oder zumindest begrenzt möglich. Auf der Steuerungsebene liefern die Steuerungen PLC A, PLC B ihre von den
Feldgeräten A, S gesammelten Daten und/oder weiterverarbeiteten Messwerte an eine übergeordnete Steuereinheit, z.B. eine SCADA. Üblicherweise wird auf der
Steuerungsebene ein High Speed Bus BS, z.B. Industrial Ethernet, zu
Kommunikationszwecken eingesetzt. Die Umsetzung zwischen den unterschiedlichen Bussystemen BS, FB erfolgt über ein Gateway G. Aufgrund der fest vorgegebenen Verbindungs- und Kommunikationswege sind die bekannten Systeme wenig flexibel. Auf Änderungen in der Anlagestruktur kann nur - wenn überhaupt - mit viel Aufwand reagiert werden. Üblicherweise muss das System komplett neu aufgesetzt werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems zum Betreiben einer Automatisierungsanlage. Die Automatisierungsanlage selbst ist in Fig. 1 nicht gesondert dargestellt. Es kann sich aber, wie bereits mehrfach gesagt, um eine beliebige industrielle Anlage handeln. Die Überwachung und/oder Steuerung der Anlage erfolgt auch hier über unterschiedliche Feldgeräte A, S. Im gezeigten Fall handelt es sich um Aktoren A und Sensoren S. Die Feldgeräte A, S dienen zur Bestimmung und/oder Überwachung von physikalischen oder chemischen
Prozessgrößen. Sensoren für die Prozessautomatisierung werden in unterschiedlichsten Ausgestaltungen von der Anmelderin angeboten und vertrieben.
Weiterhin weist das System zum flexiblen Betreiben der Automatisierungs-anlage mehrere Rechner RE auf. Diese befinden sich in der Cloud und sind über Internet oder ein betreiberinternes Intranet untereinander und mit den Feldgeräten A, S in
Kommunikationsverbindung. Die Anzahl der Rechner RE ist abhängig von dem Umfang der durch das zumindest eine Anlagemodell AM vorgegebenen und durchzuführenden Rechen- und Steueroperationen und auch von der gewünschten
Verarbeitungsgeschwindigkeit. Sowohl die Rechner RE als auch die Feldgeräte A,S müssen netzwerkfähig ausgestaltet sein. Sie sind über ein Netzwerk - also ein drahtloses oder drahtgebundenes Internet oder Intranet - miteinander verbunden bzw. verbindbar. Jedem Rechner RE und jedem Feldgerät A, S ist eine eindeutige Adresse in dem
Netzwerk zugeordnet bzw. zuordenbar. Erfolgt die Kommunikation über ein definiertes Netzwerkprotokoll, beispielsweise TCP-IP, so ist jeder Komponente des Netzwerks eine IP Adresse zugeordnet. Weiterhin ist den netzwerkfähigen Rechnern RE zumindest ein Anlagemodell AM zugeordnet. Das Anlagemodell AM ist ein virtuelles Abbild, also ein Software-Abbild, des System zum Betreiben der jeweiligen Automatisierungs-anlage, das die Anlagetopologie, die Anlagefunktion und das Zusammen-wirken der Feldgeräte S, A untereinander und mit den Rechnern RE ggf. auf der Zeitschiene beschreibt. Das Anlagemodell AM ist so ausgestaltet, dass es flexibel an unterschiedliche Anlagetopologien, unterschiedliche Anlagefunktionen und/oder ein unterschiedliches Zusammenwirken der Feldgeräte A, S untereinander und mit den Rechnern RE adaptierbar ist. Die Rechner RE steuern über das jeweilige Anlagemodell AM die Automatisierungsanlage entsprechend der aktuellen Anlagetopologie, der aktuellen Anlagefunktion und/oder dem aktuellen Zusammenwirken der Feldgeräte A, S untereinander und mit dem zumindest einen Rechner RE. An die Cloud angekoppelte Feldgeräte A, S können die von ihnen generierten Daten bzw.
Messwerte entweder automatisch zyklisch versenden oder diese über eine klassische Request/Reply-Kommunikation via Polling durch die Rechner der Cloud an diese abliefern. Oftmals wird in diesem Zusammenhang auch vom Cloud Computing bzw.
Rechnen in der Wolke gesprochen. Cloud Computing umschreibt den Ansatz, abstrahierte IT-Infrastrukturen, wie Hardware, Rechenkapazität, Datenspeicher,
Netzwerkkapazitäten oder auch Software dynamisch an den Bedarf angepasst über ein Netzwerk zur Verfügung zu stellen. Die Nutzung der angebotenen Dienstleistungen erfolgt ausschließlich über definierte technische Schnittstellen und Protokolle. Große Teile der IT Infrastruktur werden beim Cloud Computing nicht mehr auf der Seite des
Anlagebetreibers vor Ort vorgehalten, sondern sie werden vom Anlagebetreiber bei einem die IT Infrastruktur in der Wolke zur Verfügung stellenden Dienstleister angemietet bzw. zur Verfügung gestellt. Es versteht sich von selbst, dass Betreiber und Dienstleister identisch sein können. Änderungen an dem jeweiligen Anlagemodell können über ein Bedientool BT ausgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Systems ermöglicht es, bei Bedarf flexibel zwischen
unterschiedlichen Anlagemodellen AM A, AM B umzuschalten. Gezeigt ist diese
Möglichkeit des Umschaltens zwischen zwei unterschiedlichen Anlagemodellen AM A, AM B in Fig. 3. Bei dem Model A - AM A - werden drei Rechner RE1 , RE2, RE3 benötigt. Zum Betreiben der Automatisierungsanlage sind drei Sensoren S1 , S2, S3 und drei Aktoren A1 , A2, A3 erforderlich. Der Rechner RE1 ist im gezeigten Fall aktuell mit den Rechnern RE2, RE3 und mit dem Aktor A3 verbunden bzw. verbindbar. Fällt einer dieser beiden Rechner RE2, RE3 aus, so kann der Rechner RE3 ohne weiteres deren Arbeit übernehmen, da auch dem Rechner RE3 das Anlagemodell zugänglich ist. Weiterhin kann der Rechner RE3 bei Bedarf als redundanter, ggf. auch diversitärer Rechner fungieren.
Der Rechner RE 2 ist in Verbindung mit dem Aktor A1 und den beiden Sensoren S1 , S2. Der Rechner RE 3 hat gleichfalls Verbindung zu dem Sensor S2 - wiederum ist hier Redundanz gegeben - , dem Sensor S3 und dem Aktor A2. Das Anlagemodell AM B ist von dem Anlagemodel AM A verschieden. Hier werden zwei Rechner RE1 , RE3 zum Betreiben der Automatisierungsanlage benötigt. Der Rechner RE1 ist mit dem Sensor S2 und dem zusätzlichen Sensor S4 ebenso wie mit dem Aktor A3 verbunden. Der Rechner RE3 ist laut Anlagemodell AM B in Verbindung mit den Sensoren S2, S3, S4 und dem zusätzlichen Aktor A4. Entweder besteht hier bezüglich der Sensoren S2 und S4 wiederum Redundanz und/oder Diversität, oder aber in jedem Rechner sind einzelne Module der Software zum Betreiben der Anlage abgelegt.
Beispielsweise könnte der Rechner RE1 die Rohdaten des Sensors S4 weiterverarbeiten und zu Messwerten aufbereiten, während der Rechner RE3 eine Diagnose an dem Sensor S4 ausführt. Oder beide Rechner RE1 , RE3 können die Rohdaten aufbereiten und die Ergebnisse miteinander zwecks Verifizierung vergleichen. Den
Anwendungsmöglichkeiten sind keine Grenzen gesetzt. Insbesondere sei auf die Möglichkeiten verwiesen, die im Zusammenhang mit der Erfindung bereits zuvor explizit genannt wurden.

Claims

Patentansprüche
1. System zum flexiblen Betreiben einer Automatisierungsanlage mit zumindest einem Rechner (RE) und einer Vielzahl von Feldgeräten (A, S) zur Bestimmung und/oder Überwachung von physikalischen oder chemischen Prozessgrößen, wobei der zumindest eine Rechner (RE) und die Feldgeräte (A,S) netzwerkfähig ausgestaltet und über ein Netzwerk miteinander verbunden bzw. verbindbar sind, wobei jedem Rechner (RE) und jedem Feldgerät (A, S) eine eindeutige Adresse in dem Netzwerk zugeordnet bzw.
zuordenbar und wobei die Kommunikation über ein definiertes Netzwerkprotokoll erfolgt, wobei dem netzwerkfähigen Rechner (RE) bzw. den netzwerkfähigen Rechnern (RE) zumindest ein Anlagemodell (AM) zugeordnet ist, das die Anlagetopologie, die
Anlagefunktion und das Zusammenwirken der Feldgeräte (S, A) untereinander und mit dem zumindest einen Rechner (RE) virtuell abbildet, wobei das Anlagemodell (AM) so ausgestaltet ist, dass es flexibel an unterschiedliche Anlagetopologien, unterschiedliche Anlage-funktionen und/oder ein unterschiedliches Zusammenwirken der Feldgeräte (A, S) untereinander und mit dem zumindest einen Rechner (RE) adaptierbar ist, und wobei der zumindest eine Rechner (RE) über das Anlagemodell (AM) die Automatisierungsanlage entsprechend der aktuellen Anlagetopologie, der aktuellen Anlagefunktion und/oder dem aktuellen Zusammenwirken der Feldgeräte (A, S) untereinander und mit dem zumindest einen Rechner (RE) steuert.
2. System nach Anspruch 1 ,
wobei mehrere Rechner (RE1 , RE2, RE3) vorgesehen sind, die redundant und/oder diversitär ausgestaltet sind, wobei die Rechner redundant oder in Kombination miteinander arbeiten.
3. System nach Anspruch 1 oder 2,
wobei für den Fall, dass in der Automatisierungsanlage ein Produktions-prozess abläuft, in dem der zumindest eine Rechner (RE) die Produktionsgeschwindigkeit durch Adaption der aktuellen Anlagefunktionen und/oder des aktuellen Zusammenwirkens der Feldgeräte (S, A) untereinander und mit dem zumindest einen Rechner (RE) so steuert, dass der Energieverbrauch der Automatisierungsanlage optimiert ist.
4. System nach Anspruch 1 oder 2,
wobei für den Fall, dass in der Automatisierungsanlage ein Produktions-prozess abläuft, in dem der zumindest eine Rechner (RE) den Ablauf Produktions-prozesses so steuert, dass die Ausbeute der erzeugten Produkte maximal ist und/oder dass die Menge an anfallenden Abfallprodukten minimal ist.
5. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -4,
wobei der zumindest eine Rechner (RE) anhand von Diagnosedaten der Feldgeräte (S, A) Fehlfunktionen und/oder vorhersehbare oder tatsächliche Ausfälle von fehlerhaften Feldgeräten (S, A) erkennt und die Anlagefunktion des fehlerhaft arbeitenden oder ausgefallenen Feldgeräts (S; A) auf zumindest ein Feldgerät (S; A) überträgt, das in der Lage ist, die Anlagefunktion des fehlerhaften oder ausgefallenen Feldgeräts (S; A) zu übernehmen.
6. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -4,
wobei ein Display (D) an dem Feldgerät (S, A) oder ein Servicetool (BT) vorgesehen ist, über das das Feldgerät (S, A) gewartet, insbesondere justiert, kalibriert oder verifiziert wird, oder
wobei ein mobiles Servicetool vorgesehen ist, das das Feldgerät (S, A) über den zumindest einen Rechner (RE) wartet, insbesondere justiert, kalibriert oder verifiziert.
7. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 3, 4 oder 6,
wobei der zumindest eine Rechner (RE) während des Produktionsablaufs eine
Verifikationsphase durchführt und wobei die Information über den verifizierten
Produktionsablauf in zumindest einer der Rechner zugeordneten Speichereinheit (SP) gespeichert wird.
8. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -7,
wobei dem netzwerkfähigen Rechner (RE) bzw. den netzwerkfähigen Rechnern (RE1 , RE2, RE3) mehrere Anlagemodelle (AM A, AM B) zugeordnet sind, die die
Anlagetopologie, die Anlagefunktion und das Zusammenwirken der Feldgeräte (S, A) untereinander und mit dem zumindest einen Rechner (RE) für unterschiedliche
Automatisierungsanlagen und/oder Produktionsprozesse virtuell abbilden, und wobei der Rechner (RE) bzw. die Rechner (RE1 , RE2, RE3) die Produktionsanlage so
steuert/steuern, dass ein ausgewähltes Anlagemodell (AM a; AM B) zur Anwendung kommt und der entsprechende Produktionsprozess in der Automatisierungsanlage ablaufen kann.
9. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -8,
wobei feldgeräte-spezifische oder feldgerätetyp-spezifische Treiber vorgesehen sind, wobei der zumindest eine Rechner (RE) die Feldgeräte (S, A) über die Treiber so parametriert, dass sie in dem Produktionsprozess und/oder in der
Automatisierungsanlage einsetzbar sind, der/die dem ausgewählten Anlagemodell (AM A; AM B) entsprechen/entspricht.
10. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8,
wobei jedem der Feldgeräte (S, A) eine Elektronik zugeordnet ist, wobei die Elektronik entweder als Minimalelektronik ausgestaltet ist, die Rohdaten der Feldgeräte (S, A) zur Verfügung stellt, oder
wobei die Elektronik als Auswerteelektronik ausgestaltet ist, die aufbereitete und/oder ausgewertete Daten zur Verfügung stellt.
1 1. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein Koppler vorgesehen ist, der so ausgestaltet ist, dass ein Feldgerät (S, A) mit einem analogen Stromausgang netzwerkfähig ist.
12. System nach Anspruch 10 der 1 1 ,
wobei für den Fall, dass es sich bei der Elektronik um eine Minimalelektronik handelt, der zumindest eine Rechner (RE) die Aufbereitung und/oder Auswertung der zur Verfügung gestellten Daten vornimmt.
13. System nach Anspruch 10,
wobei für den Fall, dass es sich bei der Elektronik um eine Auswerteelektronik handelt, das Feldgerät (S, A) die in dem Feldgerät (S, A) zur Verfügung stehenden Rohdaten und die aufbereiteten und/oder ausgewerteten Daten an den zumindest einen Rechner (RE) übermittelt, wobei der Rechner (RE) die Rohdaten aufbereitet und/oder auswertet und die zur Verfügung gestellten aufbereiteten und/oder ausgewerteten Daten mit den Daten vergleicht, die vom Rechner (RE) aufbereitet und/oder ausgewertet werden.
14. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei dem zumindest einen Rechner (RE) die Firmware und/oder die Gerätetreiber (DTM) der einzelnen Feldgeräte (S, A) zugeordnet sind/ist.
15. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei dem zumindest einen Rechner (RE) die Firmware und/oder die Gerätetreiber (DTM) der einzelnen Feldgeräte (RE) in zumindest zwei unterschiedlichen Versionen, einer Erstversion und einer Nachfolgeversion, zugeordnet ist und wobei der zumindest eine Rechner (RE) die Erstversion während des Betriebs der Automatisierungsanlage durch die Nachfolgeversion ersetzt, sobald die Nachfolgeversion fehlerfrei arbeitet.
16. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Anlagemodell (AM) bzw. die Anlagemodelle (AM A, AM B) modular aufgebaut ist/sind und wobei im Falle von mehreren Rechnern (RE1 , RE2, RE3) das modular aufgebaute Anlagemodell (AM) bzw. die Anlagemodelle (AM A, AM B) auf die Rechner (RE1 , RE2, RE3) aufgeteilt sind.
17. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Anlagemodell (AM) bzw. die Anlagemodelle (AM A, AM B) auf einem
Testsystem entwickelt und mit virtuellen Feldgerätemodellen getestet wird und wobei das entwickelte Anlagemodell (AM) nach der Testphase auf zumindest eine analog aufgebaute Automatisierungsanlage kopiert bzw. übertragen wird.
18. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein getestetes Anlagemodell (AM) bzw. wobei getestete Anlagemodelle (AM a, AM B) einer Automatisierungsanlage auf identische Automatisierungsanlage kopiert bzw. übertragen werden.
19. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das System in ein internes Firmennetzwerk integriert ist oder wobei für den Fall, dass zumindest teilweise über ein externes frei zugängliches Netzwerk kommuniziert wird, für die Kommunikation zumindest eine VPN Tunnelstruktur vorgesehen ist.
20. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest in einen Teil der Feldgeräte (S, A) ein WebServer integriert ist, über den die Bedienung der Feldgeräte (S, A) über den Rechner (RE) oder über ein mobiles Bedientool (BT) erfolgt.
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