Konzept für ein rollenzentrisches Plug and Produce zur Inbetriebnahme und zum Austausch von Feldgeräten

Produktbeschreibung

Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieur*innen und Wissenschaftler*innen aus der Prozessindustrie. Sie behandelt ein Plug and Produce Konzept für Feldgeräte in der Prozessleittechnik. Basis hierfür ist die formale Beschreibung von funktionalen Anforderungen in Form von Geräterollen und der Abgleich dieser mit Zusicherungen von Seiten des Geräts sowie dessen zugehörigen Gerätetyps. Kern der Arbeit ist die Definition und Strukturierung der erforderlichen Informationen sowie die Beschreibung eines allgemeinen Ablaufs des Plug and Produce Vorgangs. Weiter wird die Umsetzbarkeit des Konzepts mit industrieüblichen Technologien untersucht, um die Anwendbarkeit des Konzepts in der Praxis zu beurteilen. Das Konzept wurde in einem Demonstrator mit HARTfähigen Feldgeräten realisiert. Die nötigen Daten zu Rollen und Gerätetypen werden hierbei in Form von Verwaltungsschalen bereitgestellt.

Inhaltsverzeichnis

1.1 Motivation  . . . . . . . 1
1.2 Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Problembeschreibung und Anforderungen 3
2.1 Aufgabe des Plug and Produce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Informationsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Prozessleittechnische Randbedingungen . . . . . . . . . 7
2.5 Problemszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Grundlagen und Stand der Technik 9
3.1 Gerätebeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1.1 Geräterollen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1.2 Gerätetyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.3 Geräteklasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.4 Geräteinstanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Beschreibung von Semantik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.1 Merkmalbibliotheken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.2 Strukturierung von Eigenschaftsaussagen . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 Informationsbereitstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3.1 Verwaltungsschalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3.2 Engineering-Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.4 Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4.1 HART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4.2 Profibus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4.3 IP-Netzwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4.4 Profinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4.5 OPC UA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.5 NOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.6 FDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.6.1 FDI-Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.6.2 FDI Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.6.3 FDI Informationsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.7 MTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.8 Eigene Vorarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.9 Andere Plug-and-Produce-Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.9.1 Prozesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.9.2 Fertigunstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.9.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 Konzept 35
4.1 Akteure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.1 Informationsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.2 Akteure der operativen Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.3 Akteure der Managementebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 Plug-and-Produce-Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2.1 Sicherung, Außerbetriebnahme und Umbau . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.2 Anschlusserkennung und Identifikation . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.3 Rollenverknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.4 Datenaggregation und Eignungsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.5 Umkonfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5 Übertragung des Konzepts auf technische Realisierungen 59
5.1 Umsetzung der Informationsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.1 Modellierung der Geräterolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.2 Modellierung von Gerätetypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1.3 Modellierung von Geräteinstanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.1.4 Modellierung des Rollen-Managers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.5 Modellierung der Kommunikationssysteme . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2 Technologie-Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.1 Technologien für die Informationsbereitstellung . . . . . . . . . . . 66
5.2.2 Technische Umsetzung der Netzwerkdienste . . . . . . . . . . . . . 67
5.3 Anwendungsszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3.1 Anwendungsfall 1: Feldgeräte mit konventioneller Verdrahtung . . . 71
5.3.2 Anwendungsfall 2: Feldgeräte mit digitaler Prozesswertübertragung 75
5.3.3 Anwendungsfall 3: MTP-Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6 Prototyp-Implementierung ….. 81
6.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2 Implementierung der Kernautomatisierungsseite . . . . . . . 83
6.3 Implementierung des M+O-Servers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3.1 Verwaltungsschalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3.2 PnP-Manager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7 Diskussion und Ausblick 88
7.1 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

A Anhang 91
A.1 Rollendaten für Anwendungsfälle 1 und 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
A.2 Zusätzliche Abbildungen zur prototypischen Implementierung . . . . . . . 93
Literatur 94

Keywords: Plug and Produce, automatisierte Konfiguration, Geräterollen, Eigenschaftsausprägungsaussagen, Prozessleittechnik, Plug and Produce, automatic konfiguration, device role, property value statements, process control technology