Beschreibung
Verfahren zur Simulation einer Automatisierungsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation einer Automatisierungsanlage .
Automatisierungsanlagen besitzen eine Ein-/Ausgabeschnitt- stelle zum Anlagenbediener, Instandhalter oder Anlagenprojek- teur. Über diese Schnittstelle in Form eines Kommunikationsgerätes (HMI, Human Machine Interface, Bedien- und Beobachtungsgerät) können vom Bediener Prozessparameter im Anlagenbetrieb verändert und beobachtet werden.
Heute erfolgt die Bedienung und Beobachtung einer Automatisierungsanlage in der Regel von einem sogenannten Engineering-Rechner aus, der an der Automatisierungsanlage über ein Netzwerk, z.B. Ethernet, Token-Ring oder Feldbus angeschlossen ist. Von ihm können z.B. auch neue Maschinendaten in Form von Ablaufprogrammen oder Prozessanweisungen in Form von Rezepturen für chemische Prozesse in die Anlage geladen werden. Außerdem werden an diesem Rechner Diagnoseinformationen des Prozesses, Fehlermeldungen etc. ausgegeben. Das oben genannte Kommunikationsgerät ist also in der Regel Teil des Rechners und als Anwendungsprogramm realisiert.
Ist die Automatisierungsanlage z.B. um zusätzliche Geräte, also Automatisierungskomponenten erweitert worden oder ist in der Anlage ein Fehler im Anlagenbetrieb aufgetreten, so müssen am Kommunikationsgerät Bedienhandlungen vorgenommen wer- ' den, um in den laufenden Anlagenprozess einzugreifen, um diesen zu modifizieren oder zu ergänzen.
Vor allem bei Chemieprozessen, welche oft eine Anlaufzeit von bis zu drei Wochen haben, ist wichtig, dass diese Eingriffe bei laufender Anlage stattfinden können. Jeder Eingriff in die Anlage kann jedoch zu weiteren Problemen, z.B. in Form
von unvorhersehbarem Verhalten der Automatisierungsanlage führen, da z.B. derartige Maßnahmen zum ersten Mal durchgeführt werden und vorher nie erprobt wurden. Dies kann dann letztendlich zu einem kritischen Anlagenzustand und zum Anlagenstillstand führen, der mit hohen Folgekosten und Zeitaufwand für den Anlagenbetreiber einhergeht.
Eine reine Programmsimulation von Anlagenkomponenten, wie z.B. einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) findet heute im Labor statt. Bei der Programmsimulation werden die normalerweise im Betrieb vom Prozess stammenden Eingangssignale der Komponente bzw. dem in ihr ablaufenden Programm manuell vorgegeben. Dieses Verfahren ist aufwendig und kann nicht im Betrieb der Anlage eingesetzt werden. Die manuell einzugebenden Werte entstammen der Theorie und sind Sollwerte, wie sich der Prozess und die Umgebung der Komponente eigentlich im Prozessbetrieb verhalten sollte. Reale Einflüsse in der Anlage können so nicht berücksichtigt werden.
Eine derartige Simulation ist langwierig und findet fern ab vom Prozess statt. Gerade beim Auftreten eines Fehlers in einer laufenden Automatisierungsanlage ist jedoch schnelles und prozessnahes Reagieren notwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Simulationsmöglichkeiten an einer Automatisierungsanlage zu verbessern.
Die Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Simulation einer Automatisierungsanlage, bei dem ein Kommunikationsgerät zur Bedienung und Beobachtung der Automatisierungsanlage Daten mit dieser austauscht, und die Automatisierungsanlage in einem Anlagensimulator nachgebildet wird. Zur Simulation wird das Kommunikationsgerät mit dem Anlagensimulator verbunden und tauscht mit diesem Daten aus.
Durch den Anlagensimulator erfolgt nicht nur eine einzelne Programmsimulation, sondern die Simulation der gesamten Auto-
matisierungsanlage in der tatsächlich im Einsatzfall vorhandenen Konfiguration. Der Anlagensimulator stellt also ein wirklichkeitsgetreueres Abbild der sich gerade im Betrieb befindlichen Automatisierungsanlage dar. Die Simulation ist hierdurch wesentlich realistischer und näher an der Wirklichkeit als eine reine Programmsimulation einer Anlagenkomponente, da z.B. Wechselwirkungen zwischen Anlagenkomponenten berücksichtigt werden können.
Die Simulation kann außerdem im Bedarfsfall sofort durchgeführt werden, da diese vor Ort, nämlich vom Kommunikationsgerät der Automatisierungsanlage aus erfolgt und nicht im Labor. Das Kommunikationsgerät, vor welchem im Regelfall der Anlagenbediener sitzt, wird nämlich zur Simulation mit dem Anlagensimulator verbunden und tauscht mit diesem Daten aus. Der Anlagenbediener muss also seinen Arbeitsplatz nicht verlassen, um die Simulation durchzuführen. Die Simulation kann also sofort bei Bedarf durchgeführt werden. Die Anlagensimulation ist eine vollständige Simulation der gesamten Anlage einschließlich des Kommunikationsgeräts, also des HMI .
Die Simulation erlaubt ein gefahrloses Testen von Bedienhandlungen oder z.B. neuen Rezepturen oder Maschinendaten am realitätsnah gestalteten Simulationsabbild der Anlage. Der Versuch einer Fehlerbehebung in der realen Anlage kann vor dessen tatsächlicher Durchführung zeit- und realitätsnah simuliert und dessen Erfolg abgeschätzt werden.
Eine derartige Simulation eignet sich auch für Schulungen, Einarbeitung neuer Mitarbeiter bzw. deren Training oder die Inbetriebnahme der Anlage. Systematische Fehler in der Projektierung der Automatisierungsanlage, z.B. in den Programmen bzw. Projektierungsdaten können durch die Simulation aufgedeckt werden, ohne in der realen Anlage Schaden anzurichten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor Beginn der Simulation ein Prozessabbild der Automatisierungs-
anläge von dieser in den Anlagensimulator übertragen. Zum Startpunkt der Simulation wird sozusagen eine Momentaufnahme der Automatisierungsanlage bezüglich derer sämtlichen Ein- und Ausgabegrößen und internen Zustandsvariablen genommen und diese dem Anlagensimulator zugeführt. Die dem Anlagensimulator als Eingangswerte dienenden Prozessgrößen müssen also nicht mehr von Hand gesetzt werden, was eine erhebliche Zeit- und Aufwandsreduzierung bei der Eingabe der Simulationsparameter bedeutet. Die Simulation ist außerdem sehr realitätsnah, da sämtliche Prozessparameter, also auch eventuell nicht beabsichtigte oder fehlerhafte Konfigurationen von Prozessparametern im Anlagensimulator berücksichtigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Datenaustausch des Kommunikationsgerätes zwischen Automatisierungsanlage und Anlagensimulator umgeschaltet. Dies ermöglicht dem Anlagenbediener auch während der laufenden Anlagensimulation von seinem Arbeitsplatz aus eine zwischenzeitliche Kontrolle der realen Automatisierungsanlage, ohne dass er seinen Arbeitsplatz verlassen muss. Die Anlagensimulation kann also parallel zur Anlagenbedienung von einer einzigen Person ausgeführt werden. Der Anlagenbediener kann also weiterhin den tatsächlichen Prozess der Automatisierungsanlage beobachten, da er sich hierbei mit seinem Kommunikationsgerät lediglich vom Anlagensimulator abzukoppeln und wieder auf die reale Anlage aufzuschalten braucht. Beim Auftreten sicherheitsrelevanter Meldungen o.a. der realen Anlage an den Bediener kann die Umschaltung vom Simulator auf die reale Anlage auch automatisch erfolgen. Bei Verwendung eines Engineering-Rechners mit einer grafischen Bedienoberfläche können auch die reale Anlagenbedienung und die Simulation als je ein Fenster parallel auf dem Bildschirm dargestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Eingabe eines Benutzers am Kommunikationsgerät protokolliert. Der Anlagenbediener als Benutzer des Kommunikationsgerätes muss sich so seine in der Simulation erfolgenden Bedien-
schritte weder merken, noch diese von Hand mitnotieren, um zu speichern, welche Bedienhandlungen in einer bestimmten Situation erfolgreich waren und welche vermieden werden sollten. Das Protokoll kann ihm später bei der realen Bedienung der Anlage sozusagen als Vorlage für sein weiteres Vorgehen, also die tatsächliche Anlagensteuerung dienen. Auch ist denkbar, die gespeicherten Bedienhandlungen oder Teile davon in elektronischer Form als Kommandofolge nach Zustimmung des Benutzers in die reale Automatisierungsanlage einzuspeisen, wodurch der Benutzer die Bedienhandlungen selbst gar nicht mehr ausführen muss, sondern diese dem Protokoll entnommen und der Anlage übermittelt werden.
Im Laufe der Zeit können Bedienprotokolle aus den Simulationsbetrieb einzelnen, eventuell wiederkehrenden Störungen zugeordnet werden, wodurch der Anlagenbediener mit der Zeit über einen Fundus von Anleitungen zur Störungsbeseitigung verfügen kann .
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer Prinzipskizze:
FIG 1 eine Automatisierungsanlage im Normalbetrieb, FIG 2 die Automatisierungsanlage aus Fig. 1 im Simulationsbetrieb.
FIG 1 zeigt eine Automatisierungsanlage 2 mit einem Rechner 4. Die Automatisierungsanlage 2 enthält eine Steuerung 8 (SPS, Speicherprogrammierbare Steuerung) und mehrere Komponenten 10, die alle über ein Netzwerk 6 und einen Feldbus 24 verbunden sind, um miteinander zu kommunizieren. Der Rechner 4 ist als Engineering-Rechner an das Netzwerk 6, und damit an die Automatisierungsanlage 2 angeschlossen.
Vom Rechner 4 wird die gesamte Automatisierungsanlage 2 zentral überwacht. Im Rechner 4 sind mehrere Einzelkomponenten
enthalten, nämlich ein Kommunikationsgerät 12 (HMI, Human Machine Interface, Kommunikationsgerät) eine Steuerungsanbindung 14 und ein Anlagensimulator 16. Diese Einzelkomponenten sind als Softwaremodule im Rechner 4 realisiert, der über eine graphische Bedienoberfläche, z.B. MS-Windows verfügt, auf der die Komponenten als Fensteranwendungen bedient werden.
Die Steuerungsanbindung 14 steht über Kommunikationswege 18 und 20a sowohl mit dem Kommunikationsgerät 12 als auch mit dem Netzwerk 6, und somit mit der gesamten Automatisierungsanlage 2 in Verbindung. Die Steuerungsanbindung 14 dient als Adapter, um sämtliche vom Netzwerk 6 kommenden Signale der Automatisierungsanlage 2 so aufzubereiten, dass diese am Kommunikationsgerät 12 dargestellt werden und sämtliche am Kommunikationsgerät 12 abgesetzten Steuerbefehle an das Netzwerk 6 und somit an die Automatisierungsanlage 2 weitergegeben werden .
Befindet sich die Automatisierungsanlage 2 im Normalbetrieb, so ist das Kommunikationsgerät 12 nicht mit dem Anlagensimulator 16 verbunden, dieser wird also in einer derartigen Situation nicht genutzt. Sämtliche Kommunikation des Kommunikationsgerätes 12 erfolgt ausschließlich mit der Automatisierungsanlage 2.
FIG 2 zeigt eine Situation, bei der sich die Anordnung aus FIG 1 im Simulationsbetrieb befindet. Die Simulation findet lediglich im Rechner 4 statt, die Automatisierungsanlage 2 selbst läuft weiterhin im regulären Betrieb. Die Automatisierungsanlage 2 steht deshalb auch weiterhin über den Kommunikationsweg 18 mit der Steuerungsanbindung 14 in Kontakt.
Beim Betrieb der Automatisierungsanlage 2 werden nicht andauernd Daten zwischen Kommunikationsgerät 12 und Automatisierungsanlage 2 ausgetauscht, sondern nur, wenn z.B. am Kommunikationsgerät 12 Eingaben gemacht werden, die an die Automatisierungsanlage 2 übermittelt werden oder wenn von der Au-
tomatisierungsanlage 2 Meldungen ans Kommunikationsgerät 12 abgesetzt werden.
Deshalb ist im Simulationsbetrieb in FIG 2 der Kommunikationsweg 20a zum Kommunikationsgerät 12, wie durch die Stri- chelung angedeutet, im Gegensatz zu Fig. 1 nicht dauerhaft verbunden, aber weiterhin nutzbar, sobald eine Kommunikation von Kommunikationsgerät und Automatisierungsanlage 2 erfolgen soll.
Der Anlagenbediener am Kommunikationsgerät 12 kann jederzeit bei Bedarf dieses über den Kommunikationsweg 20a mit der Steuerungsanbindung 14 verbinden, um die Anlagenfunktion zu überprüfen oder zu beeinflussen. Die Verbindung 20a wird z.B. auch bei Auftreten einer Fehlermeldung in der Anlage 2 automatisch hergestellt, um den Anlagenbediener dies über das Kommunikationsgerät 12 mitzuteilen und diesen zu einer Reaktion aufzufordern.
Zur eigentlichen Simulation der Automatisierungsanlage 2 ist das Kommunikationsgerät 12 über den Kommunikationsweg 2Ob mit dem Anlagensimulator 16 verbunden. Der Anlagensimulator 16 bildet die gesamte Automatisierungsanlage 2 im Zusammenspiel mit dem Kommunikationsgerät 14 und der Steuerungsanbindung 12 virtuell als Simulation nach.
Zum Simulationsbeginn wird der Anlagensimulator 16 mit einem kompletten Prozessabbild der Automatisierungsanlage 2 versorgt. Dies erfolgt, wie durch den Pfeil 22 angedeutet, indem sämtliche im System zu diesem Zeitpunkt vorhandenen Eingangsgrößen bzw. Zustandsvariablen von der Steuerungsanbindung 14 als Momentaufnahme in den Anlagensimulator 16 eingespeist werden. Zu diesem Zeitpunkt stellt der Anlagensimulator 16 also ein exaktes Abbild des derzeitigen Zustandes der gesamten Automatisierungsanlage 2 zusammen mit dem Kommunikationsgerät 12 und der Steuerungsanbindung 14, sozusagen eine Momentaufnahme des gesamten Systems dar.
Ab diesen Zeitpunkt simuliert der Anlagensimulator 16 das weitere theoretische Verhalten der Automatisierungsanlage 2 aufgrund dieser Momentaufnahme und der in ihm vorhandenen theoretischen Modellierung des gesamten Systems. Da er über den Kommunikationsweg 2Ob mit dem Kommunikationsgerät 12 verbunden ist, reagiert er auf sämtliche ab diesem Zeitpunkt vom Kommunikationsgerät 12 an den Simulator 16 gegebenen Steuerbefehle. Der Bediener am Kommunikationsgerät 12 kann somit erkennen, wie sich die Automatisierungsanlage 2 verhalten würde, wenn er die von ihm vorgenommenen Bedienschritte tatsächlich an der realen Automatisierungsanlage 2 ausführen würde. Dennoch erfolgt kein Schreiben dieser Eingabedaten des Kommunikationsgerät 12 auf den realen Prozess. Die reale Automatisierungsanlage 2 merkt also hiervon nichts und läuft unbeeinflusst im Normalbetrieb weiter.
Im dargestellten Beispiel wurde vom Normalbetrieb nach FIG 1 in den Simulationsbetrieb nach Fig. 2 gewechselt, da eine Komponente 10 der Anlage nicht mehr ordnungsgemäß funktionierte, z.B. ein Motor lief nicht mehr an. Im Simulationsbetrieb wird deshalb ein modifiziertes Modul in das simulierte HMI bzw. Kommunikationsgerät, also den Simulator 16, geladen, und vom realen Kommunikationsgerät 12 nochmals das Signal zum Loslaufen des simulierten Motors gegeben. Der Anlagensimulator 16 liefert das Ergebnis, dass der simulierte Motor nun das Signal zum Hochlaufen erhält. Die restliche simulierte Automatisierungsanlage 2 verhält sich wunschgemäß. Die Simulation hatte also Erfolg. Nun wird das hierdurch getestete Modul tatsächlich in das reale HMI, also das Kommunikationsgerät 12 geladen und der Fehler in der realen Automatisierungsanlage 2 ist behoben.
Um zwischenzeitlich, also während der laufenden Simulation im Anlagensimulator 16, die Funktion der realen Anlage überprüfen zu können, kann der Bediener das Kommunikationsgerät 12 am Anlagensimulator 16 über den Kommunikationsweg 20a wieder auf die Steuerungsanbindung 14 aufschalten, wobei sich dann
die Anlage wieder im Normalbetrieb wie in Fig. 1 befindet, außer das der Anlagensimulator 16 in der Zwischenzeit weiterläuft und somit das Anlagenverhalten weiter simuliert.
Diese Umschaltung kann z.B. am Rechner 4 durch das von graphischen Bedienoberflächen in bekannte Benutzen der Tasten ALT-TAB vorgenommen werden. So ist es dem Bediener möglich, quasi zwischen zwei Anwendungen, nämlich zwischen der realen Anlagensteuerung der Automatisierungsanlage 2 und dem Simulationsbetrieb im Anlagensimulator 16 beliebig hin und herzuschalten.
Liefern die vom Benutzer am Kommunikationsgerät 12 zum Anlagensimulator 16 geleiteten Eingaben nicht die gewünschte Reaktion in der simulierten virtuellen Anlage, so weiß er, dass er ein anderes Vorgehen einschlagen muss. Die reale Automatisierungsanlage 2 und der auf ihr laufende Prozess merkt hiervon nichts, wird also auch nicht negativ beeinflusst. Der Benutzer kann so lange versuchen, die simulierte Anlage durch Bedienung am Kommunikationsgerät 12 so zu beeinflussen, bis diese das gewünschte Verhalten zeigt. Hierzu kann er immer wieder auf ein und das selbe in Pfeilrichtung 22 eingespeiste oben genannte Prozessabbild zurückgreifen, und somit immer wieder von neuem vom identischen Anlagenzustand ausgehen, um tatsächlich vergleichbare Ergebnisse auf seine Eingaben am Kommunikationsgerät 12 zu erhalten. Das Prozessabbild als Summe aller im gesamten System zu einem Zeitpunkt vorhandenen Prozessparameter wird hierzu in einer nicht dargestellten Speichereinrichtung, z.B. der Festplatte des Rechners 4 gespeichert und kann jederzeit wieder abgerufen werden.
Ein weiterer Vorteil hiervon ist, dass auch andere Analysen am gespeicherten Prozessabbild vorgenommen werden können, z.B. geprüft werden kann, ob in der Anlage systeminhärente Fehler aufgetreten sind, z.B. nicht erlaubte Konfigurationen von Systemvariablen (z.B. liefern zwei nicht dargestellte Sensoren gleichzeitig den Wert 1, obwohl dies prozesstech-
nisch nicht sein dürfte) , die eventuell zu einem Fehlverhalten der Anlage führten.
Liefern die vom Benutzer am Kommunikationsgerät 12 zum Anlagensimulator 16 geleiteten Eingaben die gewünschte Reaktion der virtuellen Anlage als Simulationsergebnis, so stellt der Bediener den Kommunikationsweg 20a zur Steuerungsanbindung 14 her und nimmt die gleichen Eingaben am Kommunikationsgerät wie vorher diesmal an der realen Automatisierungsanlage 2 vor, die dann das bereits simulierte Verhalten zeigen wird.