vl cae-pa: computer aided engineering in der ... · digitale anlage (urbas 2012, in anlehnung an...

Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

SS 2013, 09.04.2012

Professur für Prozessleittechnik

VL CAE-PA: Computer Aided Engineering in der

Prozessautomatisierung

Markt Prozessautomation

Urbas/Doherr © 2012-2013 CAE@PA Folie 2

Herausforderung Integriertes Engineering (Bruns 2011)


Digitale Anlage (Urbas 2012, in Anlehnung an VDI-4499-1)

• Die Digitale Anlage ist der Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden.

• Ihr Ziel ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Anlage in Verbindung mit dem Produkt.


Die Digitalen Anlage im Lebenszyklus (Urbas 2012, in Anlehnung an VDI-4499-1)


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Nutzung und Änderung im Lebenszyklus (Urbas 2012, in Anlehnung an VDI-4499-1)


Anlage

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Herausforderungen Digitale Anlage

• Strukturell

Welche Information aus dem Papierzeitalter muss in welcher Qualität und Auflösung erfasst, abgebildet und beschrieben werden?

• Analytisch:

Wie verändern sich Arbeitsprozesse, Zuständigkeit, Befugnisse mit der Digitalen Anlage?

Welche Abweichungen zwischen Digitaler Anlage und Realer Anlage sind über welchen Zeitraum erlaubt?

• Methodisch:

Wie sind (semi)automatischen Übergänge zwischen den unterschiedlichen Modellen, Sichten und Werkzeugen zu gestalten?

Wie kann eine gebrauchstaugliche Interaktion mit der Digitalen Anlage in einer physikalischen Welt Interaktion aussehen? (

Oberseminar MMS)


ET-12 01 23 Oberseminar Mensch-Maschine-Interaktion (0/2/0, 4 LP)

• Bereitstellung von Daten der Prozessindustrie auf Mobilgeräten

Datenmodellierung für ein mobiles Instandhaltungssystem

Entwurf und Evaluation einer mobilen Anwendung

• Projektgruppen mit 4-5 Teilnehmern

Projektmanager, 2 Programmierer, 1-2 Designer

• Lernziel: selbstständige Planung, Durchführung und Präsentation eines kleinen Projekts

• Einschreibung: 08.04.–15.04. BAR/E23 bzw. E26

• Kickoff: 15.04.13, 14:50-16:20, BAR/E08

Urbas/Doherr © 2012-2013 Folie 9 CAE@PA

ET-12 01 21 Projektierung von Automatisierungssystemen (7 LP)

• Drei Komponenten

Vorlesung CAE-PA

Dienstag, 3.DS, BAR/II-20E/P

Übung CAE-PA

Dienstag, 6.DS, BAR/II-20E/P bzw BAR/E35

Projektarbeit CAE-PA

Kickoff am 30.4., Selbstorganisierenden Gruppen á 4-5 Teilnehmern, 30-40 Std Aufwand / Teilnehmer

• Prüfungsform: Klausur (180 Min) + Projektarbeit

• Gewichtung Modulnote: 50% Klausur, 50% Projekt


VL Computerassistiertes Engineering in der Prozessautomatisierung (2/0/0)

• Engineering der Prozessautomatisierung (5 Termine)

Planungsprozesse, Objekt, Funktionen und Dokumente der Gewerke der Prozesstechnik und der Prozessleittechnik

• Modelle und Methoden (4 Termine)

Digitale Modelle, Algorithmen und Werkzeuge beim Engineering

• Anwendungen (4 Termine)

• Projektpräsentation


UE Computerassistiertes Engineering in der Prozessautomatisierung (0/2/0)

• Integrierte Planung (8 Termine)

Bedienung, Stammdatenkonzepte, Bibliotheken, Basic Prozesstechnik, Basic/Detail Prozessautomatisierung, Implementierung PA

Software: Comos

• Modellierung (6 Termine)

Modellierung von Teilbereichen der PA

Erarbeitung von Transformationsvorschriften

Abbildung in Werkzeugketten


PR Computerassistiertes Engineering in der Prozessautomatisierung (0/0/2)

• Automatischer Export von Comos-Dokumenten und den dazugehörigen Metainformationen als Linked Data für ein mobiles Informationssystem zur Inbetriebsetzung und Instandhaltung in einem virtuellen Unternehmen

Analyse, Konzeption, Implementierung und Validierung von Export, Ontology-Engineering und Transformations-Engineering

Selbstständige Planung, Durchführung und Präsentation eines kleinen Projekts in Projektgruppen

• Projektkickofftermin: 30.4.13, 6.DS (UE CAE-PA)


VL CAE-PA

Zeitlicher Ablauf VL, UE, PR


UE CAE-PA

PR CAE-PA 30.4

.

16.7.

Kontakt

• Beteiligte Mitarbeiter der Professur für Prozessleittechnik in Vorlesung, Übung und Projekt

Prof. Dr.-Ing. L. Urbas ( [email protected] )

Dipl.-Ing. Falk Doherr ( [email protected] )

Dipl.-Ing. Markus Graube ( [email protected] )

Dipl.-Ing. Michael Obst ( [email protected] )

Dipl.-Ing. Markus Stöß ( [email protected] )


mailto:[email protected]















Unterlagen

• Folien

http://www.et.tu-dresden.de/ifa/index.php?id=cae-pa

• Materialsammlung (Skript)

Sammlung relevanter Aufsätze und Textausschnitte, Work-in-progress!

Als Begleitmaterial und Nachschlagewerk nur für Vorlesung, Übung und zur Klausurvorbereitung

Anmeldeliste

Rückmeldung und Beiträge zur Verbesserung erwünscht







Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

CAE-PA

Engineeringprozesse für Anlagen der Prozessindustrie

Engineering - allgemein (ECPD, USA, aus Encyclopedia Britannica):

• the creative application of scientific principles

to design or develop structures, machines, apparatus, or manufacturing processes, or works utilizing them singly or in combination;

or to construct or operate the same with full cognizance of their design;

or to forecast their behavior under specific operating conditions;

• all as respects an intended function, economics of operation and safety to life and property


Process Systems Engineering (Marquardt, von Wedel, Bayer 2000 aus Grossmann, Westerberg 2000)


Beschreibungsebene Prozess- automatisierung

Chemical Supply Chain

Innovationskette der Prozessindustrie (Workshop Modularisierung 2009)


Produktentwicklung

Product development Lab trials

Forschung Verfahrensentwicklung

Verfahrensentwicklung

Engineering & Montage

Umsetzung

Betrieb

Production

Process design / pilot trials

Process validation / pilot trials

Process concept / modeling

Construction Detail

Engineering Basic

Engineering

Time to market

Handlungsfeld PA

Engineering im Sinne des Anlagenbaus: Vom entwickelten Verfahren zur Anlage


creative application of scientific principles to design or develop structures, machines, apparatus, or manufacturing processes

Warum kann Engineering auch mal schief gehen?

• Komplexität

Viele Disziplinen mit hoher Fachspezialisierung

Starke Kopplungen zwischen Disziplinen im Fehlerfall

Einmalige Bedingungen in der Gesamtheit

• Maßnahmen

Projekt, Projektmanagement, Projektwirtschaft

Gewerkeintegrierende Vorgehensmodelle

Unterstützung von arbeitsteiligen Prozessen


Eine kleine Auswahl von Gewerken im Engineering ...

• Verfahrenstechnik (Betriebstechnik), Apparatebau, Stahlbau, Rohrleitungsbau, Infrastruktur, Gebäudetechnik, Auslegungsplanung, Hydraulik, Pneumatik, Mechatronik, Antriebs- und Elektrotechnik (>230VAC), Umwelttechnik, Sicherheitstechnik, Arbeitsschutz, Werksschutz, Logistik IBS, Logistik Lager

• Prozessleittechnik (Elektro<24VDC, Messen, Steuern, Regeln, Sichern), Informationstechnik (Netzwerke, Informationssysteme, MES, ERP, IT-Sicherheit)

• (Bestellwesen, IBS, Personalauswahl, Schulung, Training...)

Hoher Kommunikations- und Abstimmungsbedarf!


Umfang Ingenieurtätigkeit in Projekten (nach Lauber, Göhner 1999)


Projektlaufzeit

t

Vorbereitungszeit Betriebszeit

Wartungs- und Pflegearbeiten

Projekt- durchführung

Vorarbeiten zur Projektvorbereitung

Durchführungs- entscheidung

Abnahme des Systems

(Qualita

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Pro

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(Engineering)Projekt (DIN 69901)

• Projekt: Vorhaben zur Lösung von vordefinierten Zielen und Aufgaben, das im wesentlichen durch Einmaligkeit der Bedingungen in ihrer Gesamtheit gekennzeichnet ist, wie z.B.

Zielvorgaben

Zeitliche, finanzielle, personelle oder andere Begrenzungen

Abgrenzung gegenüber anderen Vorhaben

projektspezifische Organisation

• Projektmanagement:Gesamtheit von Führungsaufgaben, -organisation, -techniken und -mittel für die effiziente Abwicklung eines Projektes

• Projektwirtschaft: Gesamtheit aller Einrichtungen und Maßnahmen, die dazu dienen, das Projekt zu realisieren


Linienorganisation

• Nutzung der Linienstruktur der Abteilungen eines Unternehmens

• Einsatz bei kleinen und überschaubaren Projekten (meist nur abteilungs-spezifische Projekte)

• Projektleitung durch Abteilungsleiter oder Gruppenleiter einer Abteilung


Unternehmensleitung

Abteilung 1 Abteilung 2 Abteilung x

Projektkoordinator

Projektteam Projektteam Projektteam

Task-Force-Organisation

• Eigenständige Projektabteilungen.

• Mitarbeiter der Fachabteilungen werden zu 100% zugeordnet

• Gut geeignet für umfangreiche und langlaufende Projekte

• (Teil) Projektleitung durch Projektleiter bzw. Teilprojektleiter


Matrixorganisation

• Projektleitung erteilt Projektaufträge an Abteilungsmitarbeiter

funktionelle Unterstellung

• Mitarbeiter weiterhin in Fachabteilungen

strukturelle Unterstellung

• Disziplinarische Linienstruktur bleibt erhalten


Engineering = creative application of scientific principles?

• Zielgerichtetes Handeln setzt stets eine Vorstellung vom Objekt der Handlung und vom Weg einer Aufgabenstellung zu einem funktionierenden System voraus (Ahrens, Scheurlen, Spohr 1997)


funktionierendes

System:

• technische

Anlage

• Software

• Produkt

• …

Idee:

• technische

Anlage

• Software • Produkt • …

Definition Vorgehensmodell

• präskriptives Modell, das die Arbeitsabläufe bei der Ausführung von Handlungsprozessen beschreibt. Ein Vorgehensmodell definiert:

Projekttätigkeiten und ihre Abfolge (Phasen), Abhängigkeiten und Ergebnisse ((Teil-)Produkte, Meilensteine)

die Standards, Richtlinien und Normen nach denen gearbeitet wird

die Werkzeuge, Hilfsmittel und Methoden mit denen die einzelnen Tätigkeiten durchgeführt werden

die Verantwortlichkeiten während eines Projektes

die Befugnisse, Kompetenzen und Qualifikationen der Projektbeteiligten


Vorgehensmodelle (nach Lauber, Göhner, 1999)


Realität Modellwelt

Abstraktion, Verallgemeinerung

Vorstellungen und Kenntnisse über den zweckmäßigen und

systematischen Projektablauf aus den Erfahrungen von

vergangenen Projekten

Ansatz für ein generell gültiges Vorgehensmodell

Der Ausbau und die detailliertere Ausarbeitung des

Modellansatzes durch Angabe der Tätigkeiten und der

anzuwendenden Methoden, Werkzeuge und Richtlinien

führen zum Vorgehensmodell.

Konkretion, Verwirklichung

Umsetzung der im Vorgehensmodell enthaltenen

Tätigkeiten bei der Durchführung von realen Projekten

Vorgehensmodelle - Ziele

• Leitlinie für die Handlungen der Projektbeteiligten: die zu bewältigende Aufgabe und der Lösungsweg sollen verdeutlicht werden

• Überblick: bessere Beherrschung der Größe und Komplexität eines Vorhabens

• Steigerung der Qualität und der Wirtschaftlichkeit der Projektarbeit

• Erhöhung der Qualität der Kommunikation der Projektbeteiligten untereinander (intern) und nach außen (”Man redet nicht aneinander vorbei.“)

• Realisierung von personenunabhängigen Vorgehensweisen

• Fehler sollen besser identifiziert werden und damit Fortpflanzen und Potenzierung in Folgephasen verhindert werden

• Schnelle Anpassung der benötigte Kapazitäten (manpower) und Ressourcen im Laufe des Projektes


Vorgehensmodelle - Anforderungen

• praktikabel: die Handlungsdirektiven sollten unter den realen Bedingungen (Zeit, zur Verfügung stehende Hilfsmittel, …) umgesetzt werden können

• revisionsfähig: die durchzuführenden Tätigkeiten sollten überprüft werden können (Qualitätssicherungstätigkeiten)

• unterstützend: ein Vorgehensmodell soll einem Projektmitarbeiter helfen seine Aufgaben zu lösen und ihm nicht seiner eigenen Kreativität berauben (sollte nicht als Zwang empfunden werden)


Vorgehensmodelle - Beispiele

• Softwareentwicklung

Wasserfallmodell

V-Modell 97 / V-Modell XT (XT = Extreme Tailoring)

Spiralmodell

Agile Programming

Extreme Programming (XP)

…

• Anlagenplanung

PPEAM: Process Plant Engineering Activity Modell

PAS 1059: Planung einer verfahrenstechnischen Anlage - Vorgehensmodell und Terminologie

NAMUR-Arbeitsblatt 35: Abwicklung von PLT-Projekten


Vergleich PPEAM, PAS 1059, NA35 (Urbas 2012)


PPEAM - Übersicht


PPEAM - Detailinformation

• Ziel von PPEAM ist ein Beitrag zu einer durchgehenden Produkt-Daten-Standardisierung

• PPEAM beschreibt die Tätigkeiten und den Datenaustausch in und zwischen allen Lebensphasen einer technischen Anlage und allen involvierten Arbeitsbereichen

• Drei Kernarbeitsbereiche: Prozessengineering, Anlagenengineering, Costengineering

• Zwischen den einzelnen Tätigkeiten kommt es zum Austausch von Anforderungen, Spezifikationen, Zertifikaten, Plänen, Protokollen, Kostenvoranschlägen, Materialien, Equipments u.a.

• PPEAM ist unspezifisch im Hinblick auf Rollen, (Fach)abteilungen, Bearbeitungsdauern, Qualitätsansprüchen, Methoden oder Werkzeugen


PAS 1059 - Übersicht

• Beschreibt alle Vorgänge der Planungsphase mit einer vereinheitlichten Begriffsdefinitionen

• Tätigkeiten werden mittels Vorgangsdiagrammen hierarchisch und chronologisch geordnet

• Vorgangstabelle präzisiert Aktivitäten und ihre Ergebnisse, wie bspw. Pläne, Bilanzen, Beschreibungen, Konzepte und Listen


PAS 1059 - Begriffsdefinition


Haupt- und 1.ste Teilvorgänge


PAS 1059 – Vorplanung


PAS 1059 - Entwurfsplanung


NA35

• Vorgehensmodell der leittechnischen Projektierung für verfahrenstechnische Anlage in drei Tätigkeitsfeldern: Projektierung, Qualitäts- und Projektmanagement

• hierarchisch strukturierte Tätigkeiten mit anzuwendenden Methoden und Hilfsmitteln

Methoden: Analysieren, Synthetisieren, Berechnen, Standards anwenden, Standardisiertes Gespräch, Brainstorming, …

Hilfsmittel: CAE-Systeme, Gerätekatalog, Normen, Herstellerunterlagen, …


NA35 - Phasenmodell Projektierung


NA35: Projektphasen Projektierung (1/3)

• Grundlagenermittlung die durchführbare Anlage

auf Grundlage des Auftrages und der Verfahrensplanung werden die Ziele des PLT-Projektes erarbeitet (Groblastenheft)

Schätzung der Grobkosten mit Genauigkeit von ± 30 %

• Vorplanung die genehmigungsfähige Anlage

Festlegung auf ein Anlagenkonzept (endgültiges Lastenheft)

Schätzung Kosten mit Genauigkeit von ± (10 – 20) %

• Basisplanung die ausschreibbare Anlage

PLT- und Sicherheitsfunktionen werden genau spezifiziert und ihnen gerätetechnische Realisierungen zugeordnet

Festlegung der Struktur des Prozessleitsystems (PLS) und Erarbeitung der PLS-Aufgaben

Kalkulation der Kosten mit Genauigkeit von ± (5 – 10) %



• Ausführungsplanung die errichtbare Anlage

Festlegung der konkreten Geräte (Mess- und Stelltechnik, zentrale Einrichtungen, Leitsystem)

Erstellung der detaillierten und vollständigen Unterlagen, die zum Beschaffen, Errichten, Betreiben und Instandhalten der Hardware sowie der Software für das PLS

• Errichtung die funktionsfähige Anlage

während dieser Phase sind die Beschaffung abzuwickeln, die Montage zu überwachen und Überprüfungen durchzuführen

Erstellung und Konfiguration der PLT-Funktionen

Aktualisierung der Dokumentation



• Inbetriebsetzung die produktionsfähige Anlage

den Mitarbeitern des Anlagenbetreibers wird Hilfestellung beim Inbetriebsetzen gegeben und Funktionen und Parameter der Gerätschaften werden optimiert

Übergabe der nochmals aktualisierten Anlagendokumentation an den Anlagenbetreiber

• Projektabschluss die bewertete und abgerechnete Anlage

in einem Abschlussbericht werden Projektbesonderheiten und aufgetretenen Schwierigkeiten herausgestellt, um sie als Erfahrungsvorrat für spätere Projekte nutzen zu können

Erstellung einer Nachkalkulation


Vergleich Vorgehensmodelle

• Informationsflüsse und Schnittstellen

PPEAM: Eingang, Ausgang, e.g. „produce ... from ...“ (high level)

PAS1059, NA35: Ergebnis von Vorgängen auf Dokumentebene

• Verantwortung und Befugnisse

Nicht explizit, Forderung Aktivitätenliste (PAS1059)

• Methoden und Werkzeuge

NA35

• Projektmanagement

PPEAM, NA35, PAS1059

• Qualitätsmanagement

Nur in NA35 explizit benannt


Welche Daten werden ausgetauscht

CAE-PA: Integriertes Engineering (Urbas, Doherr 2011)


VT Vorplanung

VT Detail Engineering

AT Basic Engineering

AT Detail Engineering

HAZOP HAZOP ALARM ALARM HMI

Verfahrens- technik Verfahrens- technik

Automatisierungs- technik Automatisierungs- technik

Mensch-Maschine Systemtechnik Mensch-Maschine Systemtechnik

VT Basic Engineering

Vorpl. PLT

Vorpl.

Welche Information wird benötigt

Vorgänge und Tätigkeiten

CAE-PA: Informationsbedarf (Doherr 2006)


lokale Informations- modelle

Planungs- dokumente

Tätigkeiten, Methoden, Werkzeuge

Schnitt- stellen, Modelle

Modell- transfor- mation

Assistenz- funktionen

Literaturhinweise

• Grossmann, I.E., Westerberg, A.W.: Research challenges in process systems engineering, AiChe Journal, 2000

• Doherr, F: Projektierung der leittechnischen Modernisierung einer verfahrenstechnischen Laboranlage. 2006

• Lauber, R., Göhner, P.: Prozessautomatisierung 2. Springer 1999

• NA35: Abwicklung von PLT-Projekten. Namur 2003

• PAS1059: Planung einer verfahrenstechnischen Anlage - Vorgehensmodell und Terminologie. 2006, www.beuth.de

• PI-Step: Process Plant Engineering Activity Model. 1995

• Urbas, L: Process Control Systems Engineering. Oldenbourg Industrie Verlag, 2012

• Urbas, L: Dreamteam Digitale Anlage / Mobile Instandhaltung. Vortrag Digital Plant Kongress, 2012.

• Urbas, L., Doherr, F.: autoHMI: a model driven software engineering approach for HMIs in process industries. In: IEEE CSAE’11. 2011

• VDI-4499-1: Digitale Fabrik - Grundlagen. 2008, www.beuth.de


http://www.beuth.de/

vl cae-pa: computer aided engineering in der ... · digitale anlage (urbas 2012, in anlehnung an...

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