cae in derplt - tu dresdenz.b. autocad, microstation, pds 3d instrumentierung (plt-hardware):...

Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

SS 2012, 05.06.2012 Dipl.-Ing. M. Obst Dipl.-Ing. F. Doherr Prof. Dr.-Ing. L. Urbas

CAE in der Prozessautomatisierung Engineeringdaten im Lifecycle

Urbas/Obst © 2012 CAE@PA Folie 2

Ausgangspunkte

Herausforderungen: • Engineering von Anlagen ist ein stark arbeitsteiliger und

interdisziplinärer Prozess in Phasen umfangreiche Abhängigkeiten in den Organisations- und

Datenstrukturen • für die Anlagenplanung zugestandenen Zeiten werden immer

kürzer und die Qualitäts-, Sicherheits- und Umweltanforderungen steigen stetig Effizienzsteigerung, d.h. Kosten- und

Aufwandsminimierung bei gleichzeitiger Verbesserung der Arbeitsleistungen und Ergebnisse


Ausgangspunkte

Lösungen: • Beschäftigung von mehr qualifizierten Mitarbeitern

Kosten und Qualifizierungsaufwand entstehen • Auslagerung von Engineeringleistungen (z.B. in Package Units)

Änderungsverfolgung, -kontrolle und Datenintegration notwendig

• Übergang von einer streng chronologischen zu einer in einem gewissen Maße simultanen (concurrent) Vorgehensweise Änderungsverfolgung und –kontrolle notwendig

(Management of Change; Revisionsüberwachung) semantischen Abhängigkeiten müssen zeitlich entkoppelt

werden, um Inkonsistenzen der Daten zu verhindern Iterationsschritte werden notwendig


Ausgangspunkte

Lösungen:


Ausgangspunkte

Lösungen: • Verwendung von besseren (moderneren) Werkzeugen

Kosten und Qualifizierungsaufwand entstehen Etablierungssicherheit muss hinterfragt werden

• (Wiederverwendung von vorhandenen Planungsergebnissen aus Vorprojekten)

• Nutzung von Standardrealisierungen über mehrere Engineeringphasen (Typicalkonzepte) Engineeringaufwand vor eigentlicher Projektbearbeitung

entsteht • Verbesserung der Weiterreichung (Integration) von

Daten und Informationen im gesamten Lebenszyklus Anpassung von CAE-Systemen und Entwicklung

Integrationskonzepten notwendig


Problemstellungen für Datenintegration

• Engineeringdaten und deren Informationsfluss sind an viele Anforderungen und Randbedingungen gebunden Datenrepräsentation zeitlichen Integration über alle Lebensphasen

Aktualität und Wiederverwendbarkeit Informationssuche und -bereitstellung eine Vielzahl spezialisierter und gewerkespezifischer

CAE-Systeme müssen zum Einsatz kommen


Datenrepräsentation

• Datenrepräsentation unterschiedliche Orte

unterschiedliche Formate

in den Köpfen der Ingenieure

auf Dokumenten in elektronischer und Papierform

in Datenbanken basierend auf verschiedensten Datenmodellen

DB


zeitliche Integration

Vorgaben (Prozess, Zeit, Finanzen,…)

Pläne, Anleitungen, Checklisten, …

Anlagen- & Prozessdaten,

Instandhaltungsvor-gaben, …

eingesetzte Stoffe und Materialen, Montagepläne,…

Handbücher, Protokolle, …

Gerätezustände, „Anlagen-

geschichte“,… gewerkeübergreifende

Engineeringdaten


zeitliche Integration

• Aktualität und somit Qualität von Informationen und Daten sind bei fehlender Integration und schlechter Informationsbereitstellung sehr mangelhaft unternehmerische und planerische Entscheidungen

werden dann auf überholten, fragmentarischen und inkonsistenten Daten getroffen und führen dann zu Fehlinvestitionen und erheblichen Mehraufwand in Folgephasen

Zeitliche Integration und ein gutes Changemanagement können Investitions- und Planungssicherheit verbessern CAE-Systeme sollten dazu beitragen können


Informationssuche und -bereitstellung

„Durchschnittlich 67 Minuten am Tag suchen Mitarbeiter europäischer Unternehmen nach Informationen. Bei einem mittelgroßen Betrieb mit 1000 Mitarbeitern und einem durchschnittlichen Gehalt von 50 000 Euro summieren sich die Kosten der ineffizienten Informationssuche auf acht Millionen Euro pro Jahr.“ (Bittermann, 2008)


CAE-Werkzeugvielfalt

• in allen Lifecycle-Phasen kommen eine Vielzahl unterschiedlichster CAE-Systeme zum Einsatz (Je nach Gewerk, eigene, auf ihre Umgebung optimierte CAE- Systeme) Einsatzgründe:

hist. großer Marktanteil und weite Verbreitung

Speziallösungen; besondere Funktionen (features)

Zwang (z.B. teilweise bei Entwicklungsumgebungen von Steuerungen)


CAE-Werkzeugvielfalt

• … Vielzahl unterschiedlichster CAE-Systeme …

Verfahrensentwicklung: Simulationswerkzeuge zur Prozessmodellierung wie z.B. AspenPlus, UniSim, Matlab

Apparate- und Rohrleitungsplanung: Konstruktionswerkzeuge wie z.B. AutoCAD, MicroStation, PDS 3D

Instrumentierung (PLT-Hardware): Spezifikation und Planung der EMSR-Technik mit z.B. SmartPlant Instrumentation, Comos, PRODOK

Instrumentierung (PLT-Software): Steuerungs- und Regelungsprogrammentwurf mit z.B. logiDOC, Comos,

Elektroplanung: Planung der Energieversorgung und –verteilung mit z.B. EPLAN, SmartPlant Electrical, Comos

weitere für bspw. die Konfiguration der Feldgeräte und Steuerungen und die Instandhaltung der Anlage


Datenintegration

Datenintegration in CAE-Systeme notwendig um die Daten im Lifecycle einer Anlage zur Verfügung zu haben


Datenintegration

• Möglichkeiten der Datenübertragung

worst case: Datenübernahme per Hand

average case: Generierung der Daten aus übergebener Datenbank

best case: konsistente und gewerkeübergreifende Datenhaltung über den gesamten Anlagenlebenszyklus

• Ansätze zur digitalen Datenintegration

Punkt-zu-Punkt Integration

zentrales Data Warehouse verteiltes Data Warehouse


Datenintegration-Lösungsansätze

• Punkt-zu-Punkt Integration jede CAE-Anwendung besitzt eigene Datenhaltungskomponente

und je eine direkte Schnittstelle zu anderen CAE-Anwendungen

Vorteil: keine Absprache zwischen Herstellern der Tools notwendig Nachteile: Einbinden neuer Tools bzw. Toolupgrade sind sehr

aufwändig, Änderungen schwer zu verwalten und nachvollziehbar sehr unflexibel und teure Pflege Integrationspunkte

CAE-Tool K

CAE-Tool B

CAE-Tool Z

CAE-Tool H

CAE-Tool A DB

DB DB

DB

DB

n*(n-1) Schnittstellen



• zentrales Data Warehouse zentralisierte Datenintegration mittels einer Datenbank

MOAD „Mother of all Databases“

Vorteile: ein Datenmodell für alle Anwendungen, Datenstand ist immer konsistent

Nachteile: Komplexität der Datenmodelle (Anpassungen aufwändig), Performanceschwierigkeiten (Datenbankauslastung, Datenübertragung), Modularität eingeschränkt (neue Tools (Module) müssen direkt auf zentraler Datenbank aufsetzen)

CAE-Tool A CAE-Tool H CAE-Tool K CAE-Tool B CAE-Tool Z

Data Warehouse (MOAD) 2*n Schnittstellen


Comos PT

Applikation für zentrales Data Warehouse


Datenintegration-Lösungsansätze • verteiltes Data Warehouse

dezentrale Datenhaltung jedes CAE-Tools und Integration über eine zentrales Data Warehouse mittels Adapter

Vorteile: Datenmodelle der Anwendungen können unterschiedlich sein, Ankopplung neuer Tools bzw. Toolupgrades nur auf Adapterebene

Nachteil: ständig konsistenter Datenstand nicht garantiert

CAE-Tool A CAE-Tool H CAE-Tool K CAE-Tool B CAE-Tool Z

Data Warehouse

DB A DB A DB A DB A DB A

2*n Schnittstellen


SmartPlant Enterprise

Application

Application Application

Application

SmartPlantFoundation

Applikation für verteiltes Data Warehouse



Normenansätze zahlreiche Ansätze wurden in den letzten 2 Jahrzehnten verfolgt

den Austausch von Informationen und Daten zu standardisieren Vereinheitlichung des Datenmodells (Datenhaltung) zentrales Data Warehouse

Vereinheitlichung des Datenaustausches verteiltes Data Warehouse

STEP (ISO 10303) ISO 15926 CAEX

PandIX

NE 100


ISO 15926 - Einführung

„Vertreter“ des verteiltes Data Warehouse – ISO 15926 • „The purpose of this International Standard is to facilitate

integration of data to support the life-cycle activities and processes of oil and gas production facilities.

• To do this, this International Standard specifies a data model that defines the meaning of the life-cycle information in a single context

• supporting all the views that process engineers, equipment engineers, operators, maintenance engineers and other specialists may have of the facility.“ (ISO 15926-1, S.)

Integration, Sharing, Exchange, and Hand-over of Plant Life-cycle Information


ISO 15926 - Aufbau

• ISO 15926 besteht aus 11 Teilen Teil 1: Überblick und Prinzipien Teil 2: Datenmodell Teil 3: Referenzdaten für Geometrie und Topology Teil 4, 5, 6: Referenzdaten Teil 7: Umsetzung mit Templates Teil 8: Umsetzung mit Semantic Web Technologien Teil 9: Implementierung Teil 10: Test Methoden Teil 11: Industrial Usage Guidelines


Teil 1: Überblick und Prinzipien

• Ziele des Standards: - Verwaltung der Informationsanforderungen der Prozessindustrie

und Integration der Informationen entlang aller beteiligten Gewerke

- Definition eines generisches Datenmodels, welches die aufkommenden Daten in allen Phasen eines Anlagen-Lebenszyklus abdecken soll

- Erstellung von allgemein gültigen Referenzdaten

- Definition von Prozeduren zur Pflege und Erweiterung der Referenzdaten

- Methoden zur Entwicklung von Vorgaben zum Datenaustausch (Mapping) zwischen dem Datenmodel und externen Daten



• Process plant life-cycle activity model Ein alter Bekannter

(ISO 15926-1)



• Begriffsdefinitionen: (Beispiele) • Individual

thing that exists in space and time • Reference Data

process plant life-cycle data that represents information about classes or individuals which are common to many process plants or of interest to many users

• Data Warehouse data store in which related data are merged to provide

an integrated set of data containing no duplication or redundancy of information, an which supports many different application viewpoints


Teil 2: Datenmodel

• Beschreibung 201 verschiedene Entitäten inklusive deren Attribute

• Entitäten sind in hierarchischen Strukturen gliederbar

• Attribute sind Verweise auf weitere Entitäten oder Datentypen

• Relationen und Aktivitäten werden definiert und präsentieren wieder Entitäten

• Wurzel ist das Element „thing“


Teil 2: Datenmodel

Diagrammtypen

• Space-time Maps Darstellung konkret existierende

Instanzen im Datenmodell

• Model Diagrams Beschreibung der Beziehung zwischen

den einzelnen Entitaten.

• Instance Diagrams Erklärung durch Beispiele


Teil 4: Referenzdaten

- Referenzdatenbibliothek zur Darstellung von „Standard“elementen - Pipe; Valve; Pumpe - frei verfügbar

- http://www.tc184-sc4.org/ts/15926/-4/ed-

1/tech/rdl/

http://www.tc184-sc4.org/ts/15926/-4/ed-1/tech/rdl/�

http://www.tc184-sc4.org/ts/15926/-4/ed-1/tech/rdl/�


Teil 9: Umsetzung

• Facaden - sollen den netzwerktransparenten Zugriff auf Anlagendaten ermöglichen

- Schnittstellen gegen die eine Nutzeranwendung kommuniziert

- Webserver mit einheitlicher API


ISO 15926 - Anwendung

- Intergraph hat mit Statoil in der Umgebung „SmartPlant

Foundation“ die ISO 15926 implementiert

- Bentley biete mit „OpenPlant“ eine Sammlung von Anwendungen,

deren Datenformat ISO 15926 konform sind

- Aveva - Aveva Plant


Kritik an ISO 15926

• B. Smith (2006) Against Idiosyncrasy in Ontology Development • ISO 15926 ist keine Ontologie, sondern lediglich ein schlecht

definiertes Datenmodell • ISO 15926 verletzt

The principle of intelligibility The principle of openness The principle of simple tools The principle of re-using available resources The principle of terminological moderation The principle of intelligible definitions The principle of terminological coherence The principle of compositional term construction …

• Kritik an der Kritik

http://www.matthew-west.org.uk/documents/DevelopingShell'sDownstreamDataModel.pdf�


CAEX - Einführung

• Motivation: Fehlen eines einheitlichen und eingeführten Datenaustauschformates

zwischen Gewerken der Verfahrens- und Prozessleittechnikplanung

• Neutrales Datenformat zu Speicherung hierarchischer Objektinformationen hersteller- und werkzeugunabhängig, jeden Zwischenstand im Anlagenentwicklungszyklus korrekt abbilden unterschiedliche Workflows unterstützen, objektorientierte Konzepte unterstützen, Bibliothekskonzepte (Anwender-, Hersteller- und Projektbibliotheken)

unterstützen,

• Entstanden an RWTH Aachen (Prof. Epple) in Zusammenarbeit mit ABB Forschungszentrum Ladenburg

• Entwicklungen sind in IEC 62424 eingeflossen


CAEX - Anwendung

• zur Definition von: Anlagentopologien Dokument- oder Produkttopologien

• theoretisch aber auch: z.B Stammbäume Alle hierarchischer Strukturen lassen sich abbilden

• Implementierungen in: PandIX AutomationML


CAEX - Aufbau

• basiert auf XML und ist als XML-Schema definiert (xsd-Datei)

Grundbestandteile des CAEX-Datenmodells (Mayr&Draht atp 05/07)

• R&I Element lassen sich in Klassen einteilen

• Gliederung in Schnittstellen-, Rollen- und Unit Bibliotheken


CAEX - Aufbau

• Beispiel anhand eines PCE request

Auszug eines R&I Modells (Mayr&Draht atp 05/07)


CAEX - Aufbau

• Beispiel anhand eines PCE request – Umsetzung in XML

Auszug eines R&I Modells (Mayr&Draht atp 05/07)


PandIX - Überblick

• Metamodell zur Beschreibung der funktionalen Struktur einer verfahrenstechnischen Anlage basierend auf CAEX

• Geht auf spezielle Zusammenhänge und Elemente der verfahrenstechnischen Anlagen ein

P&I-Diagramm speziell für die Belange der Automatisierungstechnik ansehen

cae in derplt - tu dresdenz.b. autocad, microstation, pds 3d instrumentierung (plt-hardware):...

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