Computerinvasie in de procesindustrie (CIM computer integrated manufacturing)
Pieter D’Espallier, ACTA vzw
1
Inleiding
2
Oorsprong Computer • •
Eerste elektromagnetische computer (1941) Eerste procescomputer (± 1960)
Nadien steile evolutie met 2 belangrijke peilers als drijfveer voor de evolutie: • Opslagcapaciteit (Dataopslag) • CPU (Processor) (rekenkracht) • Transmissie (Informatiestroom)
3
Data opslag
4
Dataopslag Dataopslag doen we op een Hard Drive of op Flash geheugen. Hard drives Voordelen – Zeer grote datavolumes – Vooral gebruikt in PC en server technologie Nadelen – Gevoelig voor slijtage en schokken – Warmteontwikkeling
Flash Geheugen Voordelen – Zeer robuust – Gebruik in mobiele toestellen en procescontrolesystemen Nadelen – Beperktere datavolumes 5
Dataopslag Opslagcapaciteit is in 30 jaar x 10 000 gegaan. Trend voorbij gegaan aan de ‘zuivere’ procesindustrie, maar wel opgepikt door de ondersteunende diensten
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
GB
1980
2010
6
Processors (CPU’s)
7
CPU’s CPU’s zijn het hart van een computergestuurd systeem. Een CPU maakt berekeningen, gebaseerd op ingangsgegevens en publiceert die gegevens aan zijn uitgang.
Doorslaggevende eisen bij de keuze van een CPU:
– – – – – –
Prijs Toepassingsgebied Betrouwbaarheid Rekensnelheid Energieverbruik …
8
CPU’s - Prijs
Is de daling van de prijzen voor CPU’ s belangrijk voor de industrie?
9
CPU’s - Prijs
10
CPU’s - Prijs
11
CPU’s – Toepassingsgebied Grote verschillen tussen CPU’s voor gebruik in ‘administratieve netwerken’ ten opzichten van toepassing in de industriële automatisering.
Bij gevolg zijn CPU’s in de procesindustrie anders ten opzichten van deze in administratieve netwerken.
12
CPU’s – Toepassingsgebied Taken administratieve CPU’s: 1. 2. 3. 4.
Video weergave en bewerking Ingave verwerking (toetsenbord, muis, USB stick,…) Boekhouding Doorzoeken van databases
Taken CPU’s voor procesbesturing 1. Uitvoeren van controle- en regelalgoritmen 2. Communicatie met andere deelnemers op netwerk 3. Doorsturen van proceswaarden naar een user interface
Welke vereisten zijn er aan een CPU die de interfacing verzorgt?
13
CPU’s - Betrouwbaarheid Betrouwbaarheid is één van de belangrijkste factoren voor de industrie. Immers …. uitval van een systeem brengt grote problemen met zich mee: – – – – –
Menselijke schade Schade installatie Uitval installatie Schade aan het milieu ….
Echter …. is betrouwbaarheid enkel een issue voor de procesindustrie?
14
CPU’s - Rekensnelheid Waar de prijzen van CPU’s enorm dalen blijft de rekenkracht van de CPU toenemen.
15
CPU’s - Rekensnelheid Overgang van 32-bits operating systemen naar 64-bits operating systemen zal de aanzet zijn voor nog een versnelling in de evolutie.
16
CPU’s - Energieverbruik Fabrikanten: Daling energieverbruik = daling warmteontwikkeling Koeling blijft een kwetsbaar punt voor processors Eindklanten: Hebben wij voordelen bij een lager energieverbruik? • Lagere energiefactuur • Minder warmteontwikkeling • …. maar zijn er nog ???…
17
Toepassing CPU’s
18
CPU’s - Toepassing Processors zijn al jaren niet meer weg te denken in de procesindustrie. Ze worden gebruikt voor verschillende toepassingen: • • • • •
Meten Controleren Beveiligen Visualiseren Archiveren
….en soms nog veel verder …. • • • • •
Documenteren Plannen Stock controle Kwaliteitsbewaking ….
19
CPU’s – Toepassing - Meten Transmitters zetten een analoog signaal om naar: • Digitaal signaal • Andere analoog signaal (al dan niet in combinatie met een digitaal signaal) Bovendien bevatten de meeste toestellen massa’s instellingen die het meetgedrag van een toestel kunnen beïnvloeden. Veelal is een processor verantwoordelijk voor het omzetten van signalen. Processoren in transmitters moeten: • • • • •
Robuust zijn Slechts beperkte rekenkracht Deterministisch karakter Redelijk goedkoop Energieverbruik?
20
CPU’s – Toepassing - Meten
21
CPU’s – Toepassing – Controleren & Beveiligen CPU’s die instaan voor het controleren van het proces voeren algoritmes uit die gebruik maakt van gegevens aan zijn ingangen en van daaruit zijn uitgangen aanstuurt. Beste voorbeeld: PID algoritme
Voor het uitvoeren van deze taken maken we voornamelijk gebruik van : • • • •
PLC’s DCS systemen Safety PLC’s Soft PLC’s
22
CPU’s – Toepassing – Controleren & Beveiligen In de jaren ’60 startte men met het gebruik van computers om procescontrole te doen. Om kosten te drukken maakte men gebruik van één centrale procescomputer die controle had over de hele installatie. Dit werd geen succes en al snel schakelde met over op meerdere procescomputers, verspreid over de plant. (gedistribueerde controle systemen – DCS) Voordelen: • Betrouwbaarheid • Moduleerbaarheid Nadelen • Kosten • Nood aan betrouwbare netwerken
23
CPU’s – Toepassing – Controleren & Beveiligen
PLC
DCS
SAFETY PLC
SOFTPLC
Momenteel zijn er meerdere soorten besturingssystemen op de markt. Verschillen zijn gedeeltelijk te verklaren door het type processor. Laatste jaren groeien de systemen meer naar elkaar toe. We hebben het dan over ‘Hybride Systemen’. … deze systemen zijn niet de enige controlerende CPU’s in de procesindustrie. Er zijn kapers op de kust……
24
CPU’s – Toepassing – Controleren & Beveiligen Control on the Wire
• • •
Regel algoritmen worden uitgevoerd door de toestellen zelf. Toestellen zetten zelf de communicatie op met andere toestellen op het netwerk. Functies besturingssysteem worden beperkt: • Brievenbus voor: – Operator – Ingenieur – Andere netwerken
• Geavanceerde regelingen
DCS
T
PID
P
Fieldbus kabel
25
CPU’s – Toepassing – Visualiseren SCADA
26
CPU’s – Toepassing – Visualiseren SCADA Control rooms maken gebruik van PC’s om procesdata weer te geven aan de operator.
• • • •
Voordelen: Flexibiliteit Prijs Rekenkracht (video) Open technologie
• •
Nadelen Betrouwbaarheid Gevoelig aan de gevaren van de computerwereld
27
CPU’s – Toepassing – Archiveren Historische data helpt de operator zijn proces te besturen. Daarnaast is historische data nodig voor: • Kwaliteitsbewaking • Troubleshooting • Procesoptimalisatie • …
Meetpunten worden op vaste tijdstippen gesampled en in een database opgeslagen. • •
Compressie algoritmes kunnen opslag nog verkleinen. Opslag in servers
28
CPU’s – Toepassing – Servers Servers worden voor massa’s toepassingen gebruikt binnen de procesindustrie. Enkele veel gehoorde kreten: • • • • •
MES LIMS PIMS ERP ….
29
CPU’s – Toepassing – MES Manufacturing Execution System Een MES heeft als doel de operator te helpen met alle taken naast het zuiver besturen van de plant. Daarbij wordt alle papierwerk voor de operator en zijn overste gecentraliseerd. Gebruikers MES systemen: Operators, Ploegleiders, Procesingenieurs, Plantmanagers • • • • •
Rondgang Opvragen Procedures Afwegen van producten Opleidingsplan …..
MES systemen draaien op servers in combinatie met cliënt’s.
30
CPU’s – Toepassing – LIMS Laboratory Information Management Systems LIMS systemen archiveren de resultaten van labo analyses die uitgevoerd worden tijdens productie. Belangrijkste gebruikers LIMS systeem: Laboranten, Kwaliteitsmanagers, Klanten …
31
CPU’s – Toepassing – PIMS Plant Information Management Systems PIMS voeren analyses uit op de historisch opgeslagen data. De resultaten hiervan zijn voor vele toepassingen bruikbaar: Belangrijkste gebruikers PIMS systeem: Onderhoud, Plant managers, Procesingenieurs, … Zaken die een PIMS kunnen uitvoeren: • • • •
Opstellen onderhoudsplannen (predictief) Procesverbeteringen uitrekenen Stock controle …
32
CPU’s – Toepassing – ERP Enterprise Resource Planning ERP systemen trachten alle werknemers van het bedrijf te ondersteunen in hun administratieve processen. De bedoeling is om processen op te volgen om zo de kosten in kaart te kunnen brengen. Belangrijkste gebruikers ERP systeem: Iedereen Enkele typische taken: • • •
Aankoop/verkoop Personeelszaken ……
33
CPU’s – Toepassing Verwarrend?
34
Datatransmissie
35
Datatransmissie
36
Datatransmissie - Doelstelling De doelstelling van datatransmissie is het creëren van een ‘open standaard’ die: • • • • •
Snel Betrouwbaar & Robuust Merk onafhankelijk Goedkoop Veilig
… is.
37
Datatransmissie
38
Datatransmissie - OPC Voor OPC SCADA history data base
MasterBus MMS driver
DCS
Profinet driver
XWAY driver
PLCs
PLCs
39 39
Datatransmissie - OPC Probleem
•
Klanten wilden een ‘open’ systeem, waardoor data vanuit het veld beschikbaar werd voor applicaties, ook als ze niet van dezelfde vendor waren.
•
Software die gebruik maakt van gegevens uit het veld moeten ontwikkeld kunnen worden door derden, of door de klant zelf.
•
Tegelijkertijd wilden de klanten een betrouwbaar, robuust en beveiligd systeem, waar er duidelijke afspraken zijn wie verantwoordelijk is in geval van storingen.
40 40
Datatransmissie - OPC Oplossing : OPC Historian (Information Manager)
SCADA
AC800M OPC server MMS
Schneider OPC server XWAY
Siemens OPC server ProfiNet
41 41
Datatransmissie - OPC •
Communicatie vind plaats tussen de controllers in het veld en een server (OPC server).
•
De wijze waarop die communicatie plaatsvindt is nog steeds een technologie die in eigen beheer van de vendor ligt.
•
Maar deze server stelt de ingelezen gegevens ter beschikking van andere applicaties.
•
Deze maken gebruik van standaard bouwstenen (DLL’s à vandaar OLE) om de gegevens uit de server over te nemen.
42 42
Datatransmissie - OPC OPC is een success – OPC wordt intussen aanzien als een internationale standaard voor de communicatie tussen veldinstrumenten en de ICT bovenlaag. – OPC wordt gebruikt in: • 78% van de MES systemen • 75% van de SCADA systemen • 68% van de DCS/PLC systemen • 53% van de ERP systemen
43 43
Datatransmissie - OPC Specificaties Dankzij het succes van OPC werd aan de OPC foundation gevraagd om alle aspecten van dataverkeer binnen de procescontrole onder de loep te nemen. – – – –
Real Time Data (Lezen & Schrijven) Alarmen en Events Historische Data … en nog enkele afgeleide producten:
- OPC DA (“Data Access”) - OPC A&E (“Alarms & Events”) - OPC HDA (“Historical Data Access”) OPC BATCH, …
44 44
Datatransmissie - OPC Nadelen OPC – Afhankelijkheid van Microsoft voor het ter beschikking stellen van de technologie. Werkt niet op andere besturingssystemen. – Aparte stukjes software voor elke vorm van datatrafiek (DA, A&E, HDA) – Technologie is gevoelig voor malware en hackers.
45 45
Datatransmissie
46
Datatransmissie - Webservices Mensen die datatransmissiesystemen beheren tussen servers zijn andere type mensen. Automation engineer vs ICT engineeer ICT engineers gebruiken de webservices standaard voor het uitwissen van data tussen servers. Fysisch zijn servers verbonden door ethernet kabels of glasvezel
47 47
Datatransmissie - Webservices • • •
Webservices afkomstig is van de internet technologie. Maakt gebruik van tekstbestandjes om data uit te wisselen. Reeds enkele jaren de standaard voor administratieve netwerken.
Tekstbestandjes bevatten data, vastgelegd in een bepaalde structuur: XML
48 48
Datatransmissie - Webservices Server 1
Server 2
XML
49 49
Datatransmissie - XML Voordelen XML: • • • •
Vrijwel alle datatypes mogelijk Overdracht zeer grote bestanden Mogelijkheid om de XML’s te encrypten Gegarandeerd virus vrij.
50 50
51
OPC UA OPC zal komende jaren ook overschakelen naar webtechnologie voor de overdracht van data. Dit zal de veiligheid ten goede komen.
52 52
Other Computing Devices
Plant Servers
hours
PLANT INFORMATION NETWORK - Ethernet Personal Computer Network Manager
min secs
Area Servers
Control Stations
Plant Network Modules
Application Module
Additional CN Modules
History Module
Fiber Optics
CONTROL NETWORK
Network Gateway
Extended Controller
Logic Manager
W NET
Basic Controller
Other Subsystems Process Manager
Advanced Process Manager
Dank voor uw aandacht. Vragen? OR K
LocalProcessors
Control Network Extenders
PLC
L TR O
ne tw ork
Multifunction Controller
PLC Gateway
Network Interface Module
C ON
1 sec msec
Subnetwork Gateway Other Data Hiway Boxes
Su b
Network Gateway
µ sec
Archive Replay Module
Advanced Multifunction Controller
Transmitters
Smartine Transmitters
53
