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Automationskonzepte und ihre Schnittstellen

Automationskonzepte und ihre Schnittstellen
Automationskonzepte und ihre Schnittstellen

Bei der Planung von Automationslösungen und deren Vernetzung stellt sich immer wieder die Frage, wie die Schnittstellen aussehen und wie die Kommunikation abläuft. Durch verschiedene Standards und Produkte in der Automatisierungswelt sind pharmazeutische Unternehmen gezwungen, einen Standard zu etablieren. Das Thema Schnittstellen und wie die Daten von A nach B kommen haben einen hohen Stellenwert.

Um einen Prozess zu automatisieren, gibt es verschiedene Lösungen und Systeme. Bei der Planung und Umsetzung von Automatisierungskonzepten ist daher darauf zu achten, die Vielfalt von Schnittstellen zu minimieren. Dies reduziert das Planungsrisiko und die Gefahr von fehlerhaftem Datentransfer und Engpässen.

Vorgehensweise bei der Planung
Jede einzelne Ebene der Automatisierung sollte betrachtet werden. Der Signalfluss vom Feld bis zum MES1 über die einzelnen Ebenen. Beim Einsatz von Sensorik und Aktorik ist der Life Cycle (Kalibrier- und Wartungsintervalle) einzubeziehen. Der Einsatz und die Auswahl der benötigten Bustechnologien in den einzelnen Ebenen sind auf Datenmenge, Geschwindigkeit und Einsatzumgebung zu prüfen. Beim Einsatz von MES und ERP2 ist darauf zu achten, dass die Anforderungen dieser Systeme schon am Anfang einer Planungsphase für die Prozessautomation zur Verfügung stehen. Es ist schwierig und mit Mehrkosten verbunden, diese Systeme nachträglich an die Automationsstruktur anzubinden. Vor allem bei Batch-Prozessen ist eine detaillierte Abstimmung über den Datenfluss und die Abarbeitung in den einzelnen Systemen vom ERP zum MES über die PLS3 genau zu spezifizieren.

 

Feldebene
Die Aufnahme der Signale aus der Feldebene kann analog oder digital erfolgen. Bei der Aufnahme mit Analogtechnik sollte man auf  4-20 mA Signale zurückgreifen. Damit ist gewährleistet, dass der Drahtbruch der Sensorik erkannt wird. Bei der Analogtechnik unterliegt jedoch die gesamte Messkette, vom Sensor über die Auswerteinheit zur SPS4, einer Drift, die zu Abweichungen des Messwertes am Auswerte- oder Speicherort führen kann. Die Aufnahme der Signale aus der Feldebene kann auch digital über Feldbus-Systeme erfolgen wie z.B. Profibus-PA5 oder Foundation-Fieldbus. Bei dieser Art der Aufnahme von Signalen wird der Wert digital an die Steuerung übertragen und unterliegt keiner Drift. Der Planungsaufwand dieser Bussysteme ist jedoch deutlich höher.

Mittlerweile ist auch in der Messtechnik ein Wandel zu verzeichnen. Die Sensorik überträgt das Messsignal digital und nicht mehr analog an die angeschlossenen Messumformer. Im Sensor werden die Kalibrierdaten sowie die Kennung direkt abgelegt. Dadurch werden Fehleingaben am Messumformer sowie ein fehlerhaftes Anschliessen weitestgehend ausgeschlossen.

Prozesssteuerung
Grundsätzlich sollte im Bereich der Prozesssteuerung eine einheitliche Systemarchitektur von einem Hersteller für speicherprogrammierbare Steuerungen geplant oder vorhanden sein. Dadurch wird gewährleistet, dass der Datenaustausch innerhalb dieser Ebene von Steuerung zu Steuerung konform zum Protokoll des Herstellers abläuft. Der Datenflaschenhals (Gateway), der auftritt, wenn man Steuerungen zweier verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Protokollen verbindet, wird so vermieden.

SCADA6
Im Bereich Prozesssteuerung und Visualisierung gibt es Lösungen von diversen Herstellern. PC-basierte Systeme bieten eine standardisierte Schnittstelle für den Datenaustausch an (OPC). Die Schnittstelle OPC überträgt Daten über TCP/IP-angebundene Rechner. Der OPC-Server holt sich die Prozessdaten von der angeschlossenen SPS und stellt sie als OPC-Objekte zur Verfügung. Damit der OPC-Server die Daten von der jeweiligen Steuerung holen kann, muss er die jeweilige Sprache der angeschlossenen SPS verstehen. Mit der Spezifikation OPC UA (Unified Architecture) sollen alle bisherigen Spezifikationen (OPC DA, OPC HDA, OPC A/E, DCOM) unabhängig umgesetzt werden.

 

Prozesssteuerung im Unternehmen
In vielen produzierenden Unternehmen werden mittlerweile ERP-Systeme eingesetzt. Eine der Hauptaufgaben dieser Systeme ist die Planung des Bedarfes an Material sowie die Produktionsplanung und -steuerung. Beim Einsatz solcher Systeme ist eine genaue Planung der Schnittstellen sowie des Datenflusses zu den unterlagerten Systemen unerlässlich. Die Systeme ERP und MES sind in der IT-Welt, die Systeme PLS, SCADA und SPS in der Automatisierungswelt angesiedelt. Auf Grund der unterschiedlichen Bereiche und Ansiedelung der Fachbereiche ist es sehr wichtig, die gemeinsamen Schnittstellen genau zu spezifizieren.

Bei der Projektabwicklung ist es unerlässlich, dass beide Parteien, jene aus der IT- Welt und jene aus der Automatisierungswelt, das Projekt gemeinsam vorantreiben und sich regelmässig abstimmen. Die Verbindung des ERP-Systems zur Produktion läuft in aller Regel über ein MES als organisatorisches Bindeglied. Das MES sammelt die Prozessdaten aus der unterlagerten SCADA-Ebene und stellt sie dem ERP zur Verfügung. Die Verbindung vom ERP zum MES läuft in vielen Fällen über RFC7 oder RPC8. Die im SCADA anfallenden Prozessdaten, die aus unterschiedlichen Prozesssteuerungen kommen können, werden kontinuierlich, beispielsweise über SQL9, an das MES übertragen. Das MES übernimmt die Zuordnung der Daten zu den Chargen und Auftragsdaten. Alle vom MES aufgenommenen Daten stehen somit in der IT-Welt für Auswertungen und Analysen zur Verfügung. Bei der Aufgabenstellung «Automatisierung von Batch-Prozessen und der Auswertung von Batch-Informationen» ist oft eine detaillierte Schnittstellenprogrammierung vorzunehmen. Es gibt bis heute keine einheitlichen Spezifikationen, auf die man zurückgreifen kann. Ein Produktionsauftrag im MES kann die Bearbeitung mehrerer Aufträge auf PLS-Seite nach sich ziehen. In der Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie (Namur) ist man bestrebt, eine Batch-Schnittstellenspezifikation zu erarbeiten und zu etablieren.

Chemgineering unterstützt Sie gerne bei der Planung und Umsetzung verschiedener, auf Ihre Bedürfnisse angepasste Automatisierungslösungen. Durch unsere langjährige Erfahrung in der Automatisierungstechnik im pharmazeutischen Umfeld und die gute Zusammenarbeit mit Anlagenlieferanten garantieren wir unseren Kunden, ständig auf dem neuesten Stand der Technik bedient zu werden.

1    MES = Manufacturing Execution System
2    ERP = Enterprise Resource Planning
3    PLS = Prozessleitsysteme
4    SPS = Speicher-programmierbare Steuerung
5    PA = Prozessautomation
6    SCADA = Supervisory Control and Data Acquisition
7    RFC = Remote Function Call, SAP
8    RPC = Remote Procedure Call
9    SQL = Relationales Datenbankmanagementsystem


Steffen Wöllner|Gruppenleiter Automation|Chemgineering|The Technology Designers


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