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MTP-Generator Brücke von der Verfahrenstechnik zur modularen Automation

| Autor / Redakteur: Stephan Hensel, Anna Menschner, Henry Bloch, Jan Funke, Niclas Krink* / Anke Geipel-Kern

Plug and Play an der Schnittstelle zwischen Verfahrenstechnik und Automatisierung wird Wirklichkeit. Zum ersten Mal ist es gelungen, ein Module Type Package (MTP) aus dem Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) heraus zu realisieren.

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Abbildung 1: MTP-basierter Modularisierungsansatz nach J. Bernshausen & A. Haller veröffentlicht auf der Namur-Hauptsitzung 2017
Abbildung 1: MTP-basierter Modularisierungsansatz nach J. Bernshausen & A. Haller veröffentlicht auf der Namur-Hauptsitzung 2017
(Bild: X-Visual)

Für die Realisierung eines durchgängigen Engineerings und der damit verbundenen Reduzierung von Engineeringaufwänden spielt die Schnittstelle zwischen der Verfahrens- und Automatisierungstechnik eine wichtige Rolle, da an dieser Stelle derzeit noch viele Informationen manuell übertragen werden müssen.

Richtlinien schaffen Grundlagen

Durch die aktuelle Standardisierung im Bereich der Modulari­sierung, wozu die VDI-Richtlinie 2776 und die VDI/VDE/Namur-­Richtlinienserie 2658 zählen, werden Grundlagen geschaffen, um ein durchgängiges Engineering an der Schnittstelle von Verfahrenstechnik und Automatisierungstechnik zu ermöglichen. Hierbei beschreibt die Richtlinie 2776 den Planungsprozess für modulare Anlagen und legt die grundlegenden Begrifflichkeiten in diesem Themengebiet fest. Die Richtlinie 2658 beschreibt die automatisierungstechnischen Aspekte für die Realisierung einer herstellerneutralen Beschreibung von Process Equipment Assemblies (PEA), um ein Plug & Produce in einer Anlage realisieren zu können. Dies wird durch das Module Type Package (MTP) erreicht, das als Schnittstellenbeschreibung der PEA genutzt wird, um eine schnelle und flexible Integration der PEA in die Gesamtanlage zu erreichen.

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Hierbei werden alle notwendigen Informationen, die für die Steuerung der PEA notwendig sind, innerhalb des MTP beschrieben. Als Basis dient die Beschreibung aller zu kommunizierenden Variablen des OPC UA Servers der PEA, der als Kommunikationsschnittstelle zur Steuerung dient. Weiterhin werden Bedienbilder als Strukturbeschreibung, Dienste als gekapselte Prozessfunktionalitäten sowie weitere Aspekte, wie Alarme und Diagnose im MTP beschrieben [1].

Generiert wird das MTP vom PEA-Hersteller als eine Containerdatei, die intern Automation ML zur Beschreibung nutzt. Das MTP wird im Anschluss vom Anlagenbetreiber in die Systeme der Prozessführungsebene (Process Orchestration Layer, kurz POL) importiert.

Durchgängig zwischen den Gewerken kommunizieren

Das PEA-Engineering ist ein vom Anlagenengineering losgelöster Prozess. Jedoch spielt auch dabei die Kopplung und Vernetzung zwischen der Verfahrenstechnik und der Automatisierungstechnik bis zur Erstellung eines MTP eine wesentliche Rolle.

Bisher haben die Verfahrenstechnik und die Automatisierung unterschiedliche Sichtweisen auf das jeweilige Projekt. Für den Erfolg des Konzeptes der modularen Anlage ist die Vereinheitlichung der Begriffssysteme eine wesentliche Voraussetzung, um eine durchgängige Kommunikation zwischen den Gewerken zu realisieren.

Da eine Anlage aus mehreren, bereits fertig geplanten und automatisierten PEAs zusammengestellt wird, verschiebt sich ein Teil der verfahrenstechnischen Komplexität und der Engineering­aufwände hin zu den PEA-Herstellern. Das MTP beschreibt anschließend die Automatisierungsaspekte der PEA herstellerneutral, sodass die Konfiguration und Orchestrierung der Gesamtanlage mit ­geringen Aufwänden möglich werden.

Vom P&ID zur Erzeugung des MTP

In einer Kooperation zwischen X-Visual Technologies und Semodia wurde in einer prototypischen Umsetzung die automatisierte Erzeugung von großen Teilen des MTP aus dem Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) heraus realisiert. Ausgangspunkt bildete dabei die P&ID-Software „Plant Engineer“ von X-Visual Technologies. Plant Engineer basiert auf Microsoft Visio und ist dank der Microsoft-Office-Oberfläche einfach zu bedienen. Die Software bietet Erweiterungen für das Design von modularen Anlagen. Funktionen wie Betriebsarten und Dienste erleichtern dem Moduldesigner die Konfiguration der Anlagenmodule. Neben den verfahrenstechnischen Informationen werden Informationen für die Automatisierung bereitgestellt. Aus diesen Daten kann die Grundversion eines MTP erzeugt werden.

Modulspezifikationen, Einzelsteuerungen, Dienste

Im P&ID werden im ersten Schritt die Einzelsteuerelemente und deren zugehörige Attribute beschrieben. PEAs werden durch einen Modulrahmen abgegrenzt, wobei durch die Anpassung der Rahmen die PEAs leicht modifiziert werden können. De­signänderungen, optimierte Aufteilungen oder die Zusammenfassung zu einer PEA werden somit einfach umgesetzt.

Eine wesentliche Aufgabe ist es, das Be­dienbild (Human Machine Inter­face, kurz HMI) und die Parameter der Einzelsteuerelemente direkt aus dem P&ID zu generieren. Für jedes Einzelsteuerelement werden Kommunikationsattribute definiert, die im MTP veröffentlicht werden.

Gleichzeitig wird festgelegt, ob das Element im HMI erscheint. Die ­Eigenschaft „MTP HMI eclass“ verweist auf ein grafisches Symbol, das im HMI verwendet wird. Aus den Verbindungsbeziehungen im P&ID wird die Darstellung der Verbindungen im HMI abgeleitet.

Betriebszustände werden definiert sowie anschließend im P&ID visualisiert. Zukünftig sollen Zustandsänderungen in Form eines Ablaufdiagramms abgebildet werden, das als Informationsgrundlage für die Programmierung der PEA-Steuerung genutzt werden kann.

Die Erzeugung des korrespondierenden MTP wird in dieser Kooperation auf Basis des MTP-Generators von Semodia realisiert. Diese Softwarekomponente bietet eine objektorientierte Möglichkeit, einen MTP aus einem bestehenden Informationshaushalt zu generieren.

In diesem Fall wurde der MTP-Generator als DLL direkt in den Plant Engineer integriert und an die interne Objektstruktur angebunden. Nach der Einbindung konnten für unterschiedliche P&IDs zugehörige MTPs generiert werden. Der Einsatz des MTP-Generators hat den Vorteil, dass X-Visual Technologies keinen eigenen MTP-Export entwickeln musste.

Es konnte auf eine vorhandene Softwarebibliothek zurückgegriffen werden. Des Weiteren werden etwaige Änderungen, die sich durch die Weiterentwicklung des Standards ergeben, direkt von Semodia umgesetzt und als neue Version des MTP-Generators ausgeliefert. Die Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau der Realisierung.

MTP direkt im Engineering generieren

Durch die direkte Erzeugung des MTP aus dem Plantengineer heraus konnte ein großer Teil des MTP bereits steuerungsunab­hängig erzeugt werden, wodurch eine direkte Brücke zur Automatisierungstechnik geschlagen werden kann.

Diese Informationen des MTP können anschließend als ­Anforderungen an die Umsetzung der Automatisierungstechnik in ein entsprechendes Tool eines Steuerungs­herstellers eingelesen werden, in dem anschließend die Konfiguration der Laufzeitanbindung erfolgt. Dabei werden den definierten Elementen des Bedienbildes und den Diensten, die im MTP bereits enthalten sind, konkrete „OPC UA Tags“ zugeordnet.

Diese können z.B. auf Basis eines bestehenden OPC UA Servers visuell ausgewählt und verschaltet oder durch eine Konfigurationsschnittstelle eingelesen werden. Ergebnis der Anreicherung ist ein vollständiges MTP, das mit der geplanten und schließlich umgesetzten PEA an den Kunden ausgeliefert werden kann.

* * S. Hensel, A. Menschner, H. Bloch, J. Funke sind Gründer der Semodia GmbH, Dresden; Kontakt zu Semodia: Tel. +49-351-463-38715 N. Krink ist Projektmanager bei X-Visual Technologies, Berlin Adlershof. Kontakt zu X-Visual: Tel. +49-30-6392-6126

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