DE19910426A1 - Decentralized process automation system for corresponding to an automation pyramid reduces business processes to management, processing and field levels using networked computers and standard protocols - Google Patents
Decentralized process automation system for corresponding to an automation pyramid reduces business processes to management, processing and field levels using networked computers and standard protocolsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Automatisierungssystem, dessen Struktur die klassischen drei Ebenen (Schichten) Leitebene, Prozessebene und Feldebene enthält. In der Literatur wird zur Darstellung solcher Automatisierungssysteme die Prozesspyramide verwendet. Ein Dreieck mit der Spitze nach oben, dessen Fläche in drei horizontale Flächenteile (Schichten) aufgeteilt ist. Die Basisfläche wird als Feldebene, die mittlere Fläche als Prozessebene und die Fläche zur Spitze wird als Leitebene bezeichnet.The invention relates to an automation system, the Structure the classic three levels (layers) control level, Contains process level and field level. In the literature Representation of such automation systems the process pyramid used. A triangle with the top up, its surface in three horizontal surface parts (layers) is divided. The base area is as field level, the middle area as process level and the area for Top is called the management level.
Die Feldebene beinhaltet die physischen Schnittstellen zum Prozess, über die die Prozessdaten erfasst werden und in Echtzeit an die Prozessebene weitergegeben werden. Zudem werden Steuer- und Regelwerte von der Prozessebene empfangen und an den Prozess weitergegeben.The field level contains the physical interfaces to the process, via which the process data are recorded and sent in real time to the Process level are passed on. In addition, tax and Control values received from the process level and sent to the process passed on.
Die mittlere (Prozess-) Ebene empfängt die Prozess-Signale von der Feldebene, berechnet die Steuer- und Regelwerte und gibt sie an die Feldebene weiter. Zudem ist sie zum Datenaustausch über einen Bus mit der Leitebene verbunden.The middle (process) level receives the process signals from the Field level, calculates the control and regulation values and gives them to the Field level further. It is also used for data exchange via a bus connected to the control level.
Die Leitebene beinhaltet ein oder mehrere Rechner (PC oder mittlere Datentechnik), die miteinander vernetzt sind. Aufgabe der Leitebene ist es, die Daten aufzubereiten und zu archivieren. Sie enthält ferner die Mensch/Maschinen Schnittstellen, wodurch es ermöglicht wird den Prozess zu bedienen und zu beobachten. Sie erledigt übergeordnete Steuerungen betrieblicher Abläufe und ermöglicht die Prozessüberwachung mit der Ausgabe von Störungsprotokollen.The control level contains one or more computers (PC or middle one Data technology) that are networked with each other. The task of the management level is it to prepare and archive the data. It also contains the Human / machine interfaces, which makes it possible Process to use and watch. It does superordinate work Controls operational processes and enables Process monitoring with the issue of fault reports.
Die drei Ebenen sind meistens durch standardisierte Busse miteinander vernetzt. Es ist anzumerken, dass der Datenaustausch zwischen Feld- und Prozessebene wegen der zeitkritischen Steuer- und Regelfunktionen in Echtzeit stattfinden muss. The three levels are mostly interconnected by standardized buses networked. It should be noted that data exchange between field and process level because of the time-critical control and Control functions must take place in real time.
Ein in der beschriebenen Form organisiertes Automatisierungs-System hat eine Reihe von Mängeln.An automation system organized in the form described has a number of shortcomings.
Durch die Umformungen der Messwerte und die Zeit, die erforderlich ist, um sie über die verschiedenen Bussysteme zwischen den Ebenen und innerhalb der Leitebene zu transferrieren, leidet die Messdichte, so dass die Messrate an den Auswerterechnern der Leitebene derartig beschränkt ist, dass besonders bei schnellen Prozessen eine Prozessanalyse nicht möglich ist.By transforming the measured values and the time required is to get them across the different bus systems between levels and to transfer within the control level, the measurement density suffers that the measurement rate on the evaluation computers of the control level is such the only limitation is that with fast processes a Process analysis is not possible.
Der technische Aufwand für solche Systeme ist beträchtlich, wodurch die Verfügbarkeit gemindert ist.The technical effort for such systems is considerable, which means availability is reduced.
Durch die verschiedenen Bussysteme, der unterschiedlichen Hardware und Software in den drei Ebenen mit all den Problemen des Zusammenwirkens der verschiedenen Systeme ist der Aufwand für den Service unvertretbar hoch.Through the different bus systems, the different hardware and software in the three levels with all the problems of the The interaction of the different systems is the effort for the Service unacceptably high.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen. Dies geschieht erfindungsgemäss dadurch, dass die Funktionen der Prozessebene in die dezentralisierten Geräte der Feldebene verlegt werden, und dass alle teilnehmenden Geräte mit dem gleichen physischen Datenübertragungssystem vernetzt werden.The invention has for its object to overcome these shortcomings remove. This is done according to the invention in that the Functions of the process level in the decentralized devices of the Field level are laid, and that all participating devices with networked in the same physical data transmission system.
Dadurch, dass man die zentralisierten Funktionen der Prozessebene in die Feldebene verlegt, entfällt die Prozessebene. Die neue mit erhöhter Funktionalität ausgestattete Ebene kann als Prozess/Feld-Ebene bezeichnet werden. Dadurch entfällt der Feldbus, der den Datenaustausch zwischen Feld- und Prozessebene realisiert. Damit entfällt ein erster Flaschenhals, der das System erheblich ausbremst. Die zentralisierte Funktion der Prozessebene ist durch die Verlagerung in dezentrale Feldgeräte auf eine grössere Anzahl von Geräten verteilt. Dadurch entsteht eine Parallelverarbeitung, die zu einer weiteren Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit führt. Nun hat man eine Prozess/Feld-Ebene und eine Leitebene, die nur noch durch ein Datennetz, das aus mehreren lokalen Datennetzen bestehen kann, miteinander verbunden sind. By having the centralized functions of the process level in If the field level is relocated, the process level is omitted. The new one with increased Functionality level can be defined as process / field level be designated. This eliminates the fieldbus that the Data exchange between field and process level implemented. In order to there is no first bottleneck, which slows down the system considerably. The centralized function of the process level is through the relocation distributed in decentralized field devices to a larger number of devices. This creates parallel processing that leads to another Increases the speed of work. Now you have one Process / field level and a management level, which can only be achieved through a Data network, which can consist of several local data networks, are interconnected.
In einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedanken ist vorgesehen, dass das im Unternehmen an sich vorhandene Datennetz (Ethernet) genutzt wird mit all den Vorteilen, die sich hinsichtlich der Investitionen und der Instandhaltung ergeben.In a further development of the inventive concept, that the existing data network in the company (Ethernet) is used with all the advantages that come with regard to investments and maintenance.
In einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedanken ist vorgesehen, die Geräte der Prozess/Feld-Ebene und der Leitebene die gleichen Übertragungsprotokolle benutzen, so dass jedes Gerät der Prozess/Feld-Ebene und der Leitebene mit jedem anderen Gerät kommunizieren kann, so dass Flaschenhälse weitgehendst vermieden werden.In a further development of the inventive concept, the devices of the process / field level and the control level are the same Use transmission protocols so that each device can Process / field level and the control level with any other device can communicate so that bottlenecks are largely avoided become.
In einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedanken ist vorgesehen, dass anstelle der spezialisierten Rechner der Leitebene die an sich vorhandenen (vernetzten) Arbeitsplatzrechner genutzt werden. Auf diesen Rechnern können nun die anderen täglichen Aufgaben wie Textverarbeitung, Tabellenkalkulation, E-Mails ebenfalls erledigt werden mit all den Vorteilen, die sich durch eine solche Organisation ergeben.In a further development of the inventive concept, that instead of the specialized computers of the control level, the per se existing (networked) workstation computers can be used. On these computers can now do the other daily tasks like Word processing, spreadsheet, emails also done with all the advantages that come with such an organization surrender.
In einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedanken ist vorgesehen, dass Standard-Übertragungsprotokolle benutzt werden. Dadurch kann eine Vielfalt von Softwareprogrammen genutzt werden, die ebenfalls diese Protokolle enthalten.In a further development of the inventive concept, that standard transmission protocols are used. This can a variety of software programs are used, which also contain these logs.
Durch diese Erfindung muss die Definition dezentralisierter Automatisierungsmodelle neu durchdacht werden. Prinzipiell sind alle Teilnehmer nun gleichwertig. Somit kann man eine solche Einrichtung besser mit dem Begriff Automatisierungsnetz bezeichnen. Die Rechner der Leitebene beinhalten die Mensch/Maschinen-Schnittstellen mit der zugehörigen Datenverarbeitung, während die Geräte der Prozess/Feld- Ebene die Schnittstellen zum Prozess beinhalten einschliesslich der Verknüpfung der Signale in Form von Steuer- und Regelaufgaben. Through this invention, the definition needs to be more decentralized Automation models are rethought. In principle, everyone is Participants now equivalent. So you can have such a facility better term with the term automation network. The calculator the management level includes the human / machine interfaces with the associated data processing while the devices the process / field The interfaces to the process include the Linking the signals in the form of control and regulation tasks.
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Abb. 1 und 2 beschrieben:An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIGS. 1 and 2:
Abb. 1 zeigt die Gegenüberstellung der beiden
Automatisierungs-Modelle
Fig. 1 shows the comparison of the two automation models
- - des Dreischichten-Modells der klassischen Automatisierungspyramide.- the three-layer model of the classic Automation pyramid.
- - des Zweischichten-Modells der Automatisierungspyramide entsprechend der Erfindung.- The two-tier model of the automation pyramid according to the invention.
11
ist die Leitebene der Automatisierungspyramide.
is the control level of the automation pyramid.
22nd
ist die Prozessebene der Automatisierungspyramide.
is the process level of the automation pyramid.
33rd
ist die Feldebene der Automatisierungspyramide.
is the field level of the automation pyramid.
44th
ist die Prozess/Feldebene des Automatisierungsnetzes.
is the process / field level of the automation network.
55
ist die Leitebene des Automatisierungsnetzes.
is the control level of the automation network.
Bei der Automatisierungspyramide 1, 2 und 3 sind die drei Ebenen durch 2 Datenbusse miteinander verbunden. Die Rechner der Leitebene 1 sind miteinander vernetzt.In the automation pyramid 1 , 2 and 3 , the three levels are interconnected by 2 data buses. The computers in control level 1 are networked with one another.
Diese unübersichtliche Struktur führt zu erheblichen Problemen bei der Verfügbarkeit der Anlage.This confusing structure leads to considerable problems with the Plant availability.
Es kommt zu unerträglichen Datenverlusten. Werden zum Beispiel Messdaten im Millisekundenrhythmus von der Feldebene 3 erfasst, so kommt nur noch jeder tausendste Messwert in der Leitebene 1 an. Somit ist eine Prozessanalyse schnell veränderlicher Messwerte nicht möglich.There is intolerable data loss. For example, if measurement data is collected from field level 3 in millisecond rhythm, only every thousandth measurement value arrives at control level 1 . This means that process analysis of rapidly changing measured values is not possible.
Bei der Automatisierungspyramide 4 und 5 ist der Weg von den Sensoren als Datenquelle via Prozess/Feldebene 4 und Messdatennetz zur Leitebene 5 abgekürzt, so dass die Datenverluste erheblich geringer sind. Zudem können die Messdaten mit einem Zeitstempel versehen und in der Prozess/Feldebene 4 zwischengespeichert werden. Dadurch können die Daten offline (zeitversetzt) übertragen werden, wodurch eine Prozess- und Störungsanalyse erst ermöglicht wird. In the automation pyramid 4 and 5 , the path from the sensors as a data source via process / field level 4 and measurement data network to the control level 5 is shortened, so that the data losses are considerably less. In addition, the measurement data can be provided with a time stamp and buffered in process / field level 4 . This enables the data to be transferred offline (with a time delay), which makes process and fault analysis possible.
Abb. 2 zeigt die schematische Darstellung einer Automatisierungspyramide entsprechend der Erfindung. Fig. 2 shows the schematic representation of an automation pyramid according to the invention.
1 sind die Rechner (Arbeitsplatzrechner) der Leitebene.
2 ist das lokale Datennetz, das die Geräte 1 der Leitebene miteinander
verbindet.
7 ist das lokale Datennetz, das die Geräte 4 der Prozess/Feldebene
miteinander verbindet.
3 ist eine Glasfaserverbindung zwischen den lokalen Netzwerken 2, 7.
4 sind die dezentralen Geräte der Prozess/Feld-Ebene.
5 sind die Signalleitungen zwischen den Sensoren (Temperatur, Druck,
Durchfluss . . .) und den Geräten der Prozess/Feld-Ebene 4.
6 ist der technische Prozess, den es zu automatisieren gilt.
1 are the computers (workstation computers) of the control level.
2 is the local data network that connects devices 1 at the control level.
7 is the local data network that connects the devices 4 at the process / field level.
3 is a fiber optic connection between the local networks 2 , 7 .
4 are the decentralized devices of the process / field level.
5 are the signal lines between the sensors (temperature, pressure, flow ...) and the devices of the process / field level 4 .
6 is the technical process that needs to be automated.
Die Funktion ist folgende:
Die Geräte 4 der Prozess/Feldebene erfassen die Messdaten (analog
und digital) vom Prozess 6 über die Signalleitungen 5.The function is as follows:
The devices 4 of the process / field level acquire the measurement data (analog and digital) from the process 6 via the signal lines 5 .
Die Analogdaten werden durch Analog-Digital Wandler in digitale Werte gewandelt. Bei den Analogdaten handelt es sich typisch um Drücke, Temperaturen, Durchflüsse etc. Diese Analogdaten werden von spezialisierten Sensoren im Prozess 6 geliefert.The analog data are converted into digital values by analog-digital converters. The analog data are typically pressures, temperatures, flow rates etc. These analog data are supplied by specialized sensors in process 6 .
Bei den Digitaldaten handelt es sich um Vorgänge, die einen statischen Zustand repräsentieren, z. B. eine Klappe ist geöffnet/geschlossen, ein Aggregat ist ein/ausgeschaltet oder um dynamische Vorgänge, z. B. einer Drehzahl. Der Drehzahlsensor liefert eine Impulsreihe, deren Frequenz den Wert der Drehzahl repräsentiert.The digital data are processes that are static Represent state, e.g. B. a flap is open / closed, a The aggregate is switched on / off or for dynamic processes, e.g. B. a speed. The speed sensor delivers a series of pulses Frequency represents the value of the speed.
Die so erfassten, nun digital vorliegenden Daten werden mit einem Zeitstempel, der auch das Datum enthalten kann, versehen und seriell, mittels eines standardisierten Datenprotokoll via Datennetze 7, 3 und 2 an die Geräte 1 der Leitebene weitergegeben.The data thus acquired, which is now digital, is provided with a time stamp, which can also contain the date, and is passed on in series to the devices 1 of the control level by means of a standardized data protocol via data networks 7 , 3 and 2 .
Ferner werden die Daten zu Steuer- und Regelwerten verknüpft und über die physischen Schnittstellen via geeigneter Aktoren an den Prozess 6 zurückgegeben mit dem Ziel, den Prozess 6 in der geeigneten Weise zu steuern und zu regeln. Furthermore, the data are linked to control values and returned to process 6 via the physical interfaces via suitable actuators with the aim of controlling and regulating process 6 in a suitable manner.
Aufgabe der Rechner 1 der Leitebene ist es, Daten aufzubereiten und zu archivieren. Sie enthält ferner die Mensch/Maschinen Schnittstellen, wodurch es ermöglicht wird, den Prozess zu bedienen, zu beobachten und zu analysieren. Sie erledigen übergeordnete Steuerungen betrieblicher Abläufe, ermöglichen die Prozessüberwachung mit der Ausgabe von Störungsprotokollen.The task of the computer 1 of the control level is to prepare and archive data. It also contains the human / machine interfaces, which makes it possible to operate, observe and analyze the process. They handle higher-level controls of operational processes, enable process monitoring with the output of fault reports.
Claims (6)
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|---|---|---|---|
| DE19910426A DE19910426A1 (en) | 1999-03-10 | 1999-03-10 | Decentralized process automation system for corresponding to an automation pyramid reduces business processes to management, processing and field levels using networked computers and standard protocols |
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Publications (1)
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| DE19910426A1 true DE19910426A1 (en) | 2000-10-05 |
Family
ID=7900300
Family Applications (1)
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Country Status (1)
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