Prozessleittechnik – Wege in die Zukunft

Dr. Peter Terwiesch, Plenarvortrag zur 74. NAMUR Hauptsitzung

NAMUR-Hauptsitzung 2011

Version 5a

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Prozessleittechnik – Wege in die Zukunft

Trends und Treiber

Was uns bewegtMehrwert durch Integration

Warum Leitsysteme nicht ausgestorben sindEnergie und Automation

Energie als ProduktionsfaktorInnovation treiben

Neue OptimierungsmöglichkeitenWerterhalt und Wertsteigerung durch Service

Anlagenzustand messbar machen, Produktivität steigernBedienkonzepte

Eine Umsetzung der Empfehlungen des AK 2.9

Die „Digital Natives“ kommen

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2011 – Das Internationale Jahr der ChemieAusgerufen durch die UN-Generalversammlung

Chemistry: All about you

www.unesco.de/chemiej ahr_2011.html

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NAMUR und Leittechnik

NA 135 Fernwartung bei (..) Automatisierungstechnik

NE 133 Wireless Sensor Netzwerk (…)

NA 129 Plant Asset Management

NE 121 Qualitätssicherung leittechnischer Systeme

NA 115 IT – Sicherheit für (…) Automatisierungstechnik

NA 107 Selbstüberwachung u Diagnose (…) Feldgeräten

NA 105 (…) Integration von Feldgeräten (…)

NA 103 Einsatz von Internettechnologie

NA 102 Alarm Management

NE 100 Nutzung von Merkmalleisten (…)

NE 091 Anforderungen (…) Anlagennahes Asset Mgmnt

NA 078 Migration bei Prozessleitsystemen (…)

NA 074 NAMUR Anforderungen an einen Feldbus

NA 046 Beispiel zur Rezeptfahrweise nach (…) NE 33

NA 035 Abwicklung von PLT Projekten

NE 033 (…) Rezeptfahrweise

NA 026 Planung von Warten, Leitständen

NA 001 / IEC 60947-5-6: NAMUR-Geber

Gemeinsam gestaltet und umgesetzt

H&B Contronic P

System 800xAFreelance

Trends und Treiber Technologie und Einflussfaktoren

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Anforderungen an Leittechnik

Komplexe Prozesse für den Bediener einfach, aber zielgerichtet darstellen

Hohe Regelgüte bei optimaler Geschwindigkeit

Helft, die externen Auflagen zu erfüllen und Nachhaltigkeit zu erreichen

Kundenanforderungen und Einflussfaktoren

Rückwirkungsfreie Kopplung mit den Business-Systemen

Unterstützung über die gesamte Anlagenlaufzeit

Bitte lenkt uns nicht von unseren Kernaufgaben ab

Keine systembedingten Stillstände

Optimale Nutzung der Produktionsanlage

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Datenverarbeitung, Kommunikation: schneller, kleiner, drahtlos

Höhere Integration

Mehr Remote Services

Virtualisierung

IT - Security

Aktuatoren: dynamischer, präziser, energieeffizienter

Höhere Regelgüte

Energiearmer Betrieb

Sensoren: vielseitiger, neue (In-line Analysen), drahtlos

Neue Optimierungen

Verteilte Intelligenz

Bedienung: Intuitiver, ergonomischer, mobiler, (Smartphone), Touch pads

Mobile Bedieneinheiten

Gesten vs. Maus/Tasten

Abstrahierung, Zoomen

Technologietrends und Treiber

Mehrwert durch Integration Warum Leitsysteme nicht ausgestorben sind

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Anzahl IOs per Bediener

Funktionale Bereiche per Bediener (Instrumentierung, Wartung, Energieverteilung, Safety, …)

Komplexität beherrschen

Bereiche

AnzahlI/Os

Mehrwert durch Integration

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NAMUR – Empfehlung von Nov 1996Tauchnitz‘sche Kuchenempfehlung wird 15 Jahre alt

Quelle: Tauchnitz atp 11/96

PLS-Kern als Produktionsdaten- Drehscheibe

Komponenten können per definierter Schnittstelle eingeklinkt werden

“Wünschenswerte Struktur von PLS”

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Betriebsführungs- funktionen

OS-System

IH-System

gehobene Regelungs- verfahren

Sicherheits- gerichtetes System

Intelligente Feldgeräte

Automati- sierungs- gerät (z.B. SPS)

Rezeptpaket

Prozess-Simulation

Anlagen- Dokumentations- system

Prozess- Fehlerdiagnose- System

„PLS-Kern“,Produktions- Informations- Drehscheibe

Motor Control Centers

Power Integration

Safety

Enterprise Asset Management

Process and Logic Control

Instrumentation and Drives

Information Management

Field Device Integration

Alarm Management

Batch Management

Operations

Engineering

Advanced Control and Industry

Solutions

kkkk wuxfx ,1

FDI Package

Advanced FeaturesEDD

Schnittstellen?

Versionskompatibel?

Bedienungsphilosophie?

IT-Security?

Mehrwert durch IntegrationManagement des Gesamtsystems

Integration!Life Cycle!Bedienphilosophie!IT-Security!

System 800xA Safety

MES/ERP

Asset Optimization

Energy

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Sinnvolle Weiterentwicklung

Weitere Effekte

Versionsneutral nachladbare Funktionalitäten

Minimierte Hardware Erfordernisse

Gute Absicherung gegen Angriffe aus dem Netz

Gehärteter Kern

Zuverlässigkeit

Echtzeitverhalten

Vorhersagbarkeit

Sicherheit

Funktionalität

Offenheit

ErweiterbarkeitGehärtete

„Kern- PLS“

Funktionen

Rückwirkungs -freie Schnittstellen

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IT Sicherheit

Im Jahr 2010 wurden 60.000 Angriffe, Schwachstellen bzw. Gefahren registriert

Große Dynamik, daher kontinuierliche Maßnahmen erforderlich

Technische Vorraussetzung durch Prozessleittechnik

Sicherheit beinhaltet viele Bereiche

Nicht nur ein technischer Aspekt, aber auch…

Zugriffs- kontrolle

Handhabung&

Pflege

Physikal.. Sicherheit

Organisation Personal

Vorschriften

IT Sicherheit

ISA S99 / IEC 62443IEC 62351

NERC CIPICSJWG

IEEE 1686

IEEE PSRC H13

NIST SGIP-CSWG

NA 115

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Beispiel für erweiterte Funktionalität

Getestet mit verschiedenen SystemgrößenSinnvoll schon bei kleinen SystemgrößenWeniger Server, weniger Netzwerk, Weniger PlatzbedarfEntkopplung von Hardware Life CycleGeringerer EnergieverbrauchVereinfachte WartungMöglichkeit für Cloud Computing

Virtualisierung der Hardware

Applications

800xA ServerVirtual CPU

Virtual RAM

Virtual HDD

Virtual NIC

Virtual NIC

Applications

800xA ServerVirtual CPU

Virtual RAM

Virtual HDD

Virtual NIC

Virtual Machine Virtual Machine

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Beispiel für erweiterte FunktionalitätOptimierungen des Alarmkonzepts im laufenden Betrieb

Energie und Automation …Energie als Produktionsfaktor

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Verfü

gbar

e En

ergi

e

Energieverluste entlang der Versorgungskette

Verluste entlang der EnergieversorgungsketteTechnologie kann den nutzbaren Teil nahezu verdoppeln

Potential bei jedem einzelnen Schritt in der Kette, um die Produktivität und Energieeffizienz zu erhöhen

Kraftwerks-automatisierung

PipelineAutomatisierung

Prozess Automatisierung

IntelligenteNetze

Prozess Automation

Energie Management

verbesserter Wirkungsgrad,

Höhere Ausbeute

Höherer Pipeline – Durchsatz, “Hybrides”

Schiff

Effizientere Regelung und

Optimierung von Verbrennungs-

anlagen

Dynamische Blindleistungs- kompensation

Prozess Optimierung Effizientere Motoren

und Antriebe

Optimierung

IndustrieVerteilungPrimärenergie Transport Generation

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Frequenzumformer statt Regelventil

Typischerweise 20-30% Betriebskostenersparnis

ROI meist nach wenigen Monaten

Quellen: Setzwein, Kersting TC 2010, IAE 2011, ABB

Hohes Potential für Elektrizitätseinsparungen

M

tsd = SchlafverzögerungSchlafent<tsd tsd

Stopp Start

Schlafschwelle

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Energie Audits Das ABB Energie-Effizienz-Programm

Typische Anwendungsbeispiele beziehungsweise Ergebnisse:

Optimieren des Stromverbrauchs eines Mixers ohne die Konsistenz des produzierten Plastiks zu beinträchtigen

Optimierung von 5 Lüftern in einer Düngemittelproduktion führten zu einer Reduktion des jährlichen Stromverbrauchs von 4000 MWh.

Bei 80% Last verbraucht unsere Anlage am wenigsten Energie.

Wir wissen jetzt was die teuren Energiespitzen verursacht.

In Anlagenstillstand ist der Energieverbrauch immer noch zu hoch.

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Prozessautomation und Energieverteilung durchgängigEnergieautomatisierung mit einbeziehen

Prozess Automatisierung – Elektrifizierung – Verteilung

Ein integrierter Ansatz für höhere Produktivität, Optimierung der Energiekosten Verringerung der Wartungskosten

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Komplettlösungen für den Kunden

Risiko- und Projektmanagement beim Lieferanten

Integrierte Technologie, durchgängige Bedienphilosophie

Kundenstandards

Life Cycle Management

Main Automation/ Main Electrical Vendor

Projektmanagement

Technische Kompetenz

MAV / MEV MehrwertProjekt Erfordernis +

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Integration von Automation und Elektrotechnik

StatoilHydro Grane: Safety- und Automationssystem 800xA, Prozessinformationssystem, Elektrotechnik

Erzielte Investitonseinsparungen ~ 20%,

Engineering (20-30%), Lieferkette (50%), reduzierte Änderungsaufträge (90-95%)

Betriebskosteneinsparung: ~20%

Zwei Beispiele

Petrobras, mehrere Raffinerien: Prozessleitsystem 800xA mit Integration von Sicherheitssystemen und EnergieverteilungElektrische Integration mit IEC 61850, vereinfachtes Engineering, verbesserte Energieeffizienz, niedrigere Investitionskosten, +40% Produktionssteigerung

Innovation treiben Neue Optimierungsmöglichkeiten

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Model Predictive Control: Die Grenzen erweiternDatenverarbeitungsanforderung vs. verfügbare Leistung

Pulp & Paper

Rolling Mills

Power Generation

Cement & Minerals

Electrical

Refining

Chemicals

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Beispiel für erweiterte FunktionalitätAdvanced Process Control (APC)

Feedstock

Ethylene Plant(Cracker)

+2% Ethylen Ausbeute

-74% Varianz

Typische Ergebnisse von Advanced Process Control bei einem Cracker

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Prozesssensoren Roadmap 2015+

Anforderungsblatt 13 Wirbelschichttrocknung

NIR Analysatoren für PAT

Source: NAMUR Roadmap 2015+

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Dryer Hot Air

Granules

Filters

NIR Analyzer xPATAnalyzer Controller

Incoming Material

Anwendungsbeispiel WirbelschichttrocknerEinsparungen von mehreren Millionen Dollar

Konventionell:

Trocknung eines Aktivstoffes von 20 – 30% Feuchte auf unter 5%

Trocknung in 40 – 48 Stunden

Mit PAT-Messung:

Reduzierung auf 24 – 30 Stunden

24/7 Überwachung eines Blockbuster-Arzneimittels

10MUS$ Einsparung im ersten Jahr

Erstes In-Line PAT-System validiert

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Automation

Unser Alltag wird “wireless” – und die Automation?Anforderungen für den Einsatz in der Automation

Mobilität

Interoperabilität

Bandbreite

Kosten

Sicherheit

Selbstorganisation

MiniaturisierungVerlässlichkeit

Koexistenz

IP / Ex / EMVVersorgung

Latenz

Alltag

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Energieeffiziente MessaufnehmerNutzen der vorhandenen Energie

Durchfluss

Sonnenenergie

Vibration

Abwärme

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Wireless HART und energieautarke MessaufnehmerErmöglichen minimale Betriebskosten

Energieautarker Temperaturtransmitter von ABB

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Mehr Flexibilität und Intelligenz im Feld

Das Beste aus beiden existierenden Technologien

Verbessertes Lifecycle-Management und Interoperabilität

Hostsystem stand-alone aber auch mit erweiterten Funktionalitäten durch Einbindung ins Leitsystem

Anforderungen der NAMUR erfüllt

Prototyp in der Ausstellung

FDI – Field Device Integration

FDI Package

EDD Advanced Features

Servicekonzepte Verfügbarkeit und Produktivität erhöhen

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Wartungsstrategie: InvestitionsschutzDienstleistungen zur Produktivitätsverbesserung

32

Zeit

Pro

dukt

ivitä

t

Design / Implement / Startup Betrieb / Wartung / Optimierung

Typische Produktivitätskurve

Verringerung durch technologischen Rückstand

Ausfälle

1. Inbetriebnahmeunterstützung/ Implementierung2. Allgemeines besseres Ausnutzen der Systemmerkmale3. Kontinuierliche Fernüberwachung der System Services4. Kontinuierliche Verbesserung der Produktivität

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Ist 2009Stand 2011

Life Cycle Index macht Status des Leitsystems messbar

Beispiel einer Indizierung und Re-Indizierung

Umfassende Langfristplanung, definierte Maßnahmen und messbare Produktivitätspotenziale

Ermittlung des Produktivitätsstatus der Leittechnik

Empfehlung 2009

Re-Indexierung 2011

Erstindex 2009Life Cycle Strategie

Leitebene

Netzwerk/Controller

I/OPersonal

Präventionsstrategie

Notfallstrategie

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Produktivitätssteigerungen durch Modernisierung

Chemischer Betrieb, Teil-Batch

Maestro UX /Contronic P Systeme, insgesamt ca 10.000 I/Os nach System 800xA

18 Bedienplätze statt vorher mehr als 30

Optimierung der Fahrweise, Ergänzung von Batch

Vier statt vorher drei Produkte,

Ca 20% mehr Durchsatz

Zwei Beispiele

Chemischer Betrieb, Konti-Anlage

Maestro UX/Contronic P nach 800xA

14 AC 800M und 1 AC 800M HI Controller, insgesamt ca. 9000 I/O,

Reduktion von zehn auf sechs Bedienplätze

Tool-basierte Konvertierung der Software- Applikationen

Umschluss teilweise im laufenden Betrieb

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Vollständig integrierte ArbeitsabläufeIn Produktion, Bedienung und Instandhaltung

Auf See Festland

Onshore Operation Center (Festland)

Supplier Support Center(Lieferanten)

Company ExpertResource Center(Experten- teams)Breitband-

verbindung

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Produktivität und InvestitionsschutzLife Cycle Exzellenz durch Servicepartnerschaft

Übersichtlichkeit fördern … das Wesentliche im Blick

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Extended Operator Workplace

Bediener ist wichtiger Produktionsfaktor

Bild- und Bedienphilosophie von System 800xA implementiert für maximalen Bedienkomfort

Hier in der Ausstellung

Inklusive einer Umsetzung der Empfehlungen des AK 2.9: Mensch-Prozess-Kommunikation

Ergonomie für die Bediener

EOW-x2 EOW-x3

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Simulations- system

Soft ControllersA

C 8

00M

AC

800

M

AC

800

M

AC

800

M

Produktiv system

Bedienereffizienz Optimale Schulung durch Simulation

Process

Inst

ruct

or S

tatio

n

Process Model

Plant Control room Simulator Control room

System 800xAconfiguration

I/O ITS Link

AC

800

M

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Evolution Prozessvisualisierung

Umsetzung der Empfehlungen des AK 2.9

Mensch-Prozess-Kommunikation NAMUR AK 2.9

Früher

Heute

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Mensch-Prozess-Kommunikation

Übersichtliche Alarmierungsstrategie

Neue verbesserte Grafik Elemente (z.B Spreizungen, Profile, Farbgestaltung, …)

Gutbereiche klar sichtbar

Intuitive schnelle Navigation

Nachweisliche Verbesserungen

Wesentliche Bestandteile der Umsetzung

Treffen Sie den Bediener von morgen … Digital Natives kommen

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Die Nutzer von morgen

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Die zukünftigen LeitsystemnutzerDigital Natives werden das Personal von morgen sein

Bediener? Wartungstechniker?

Programmierer? Datenanalyst?

Werksleiterin?

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ForschungsinitiativenThemenschwerpunkte bezüglich Operator Excellence

Erhöhung der Bedienereffizienz

Zukunftskonzepte

Ease of Use

Leicht zu navigieren

Durchgängige Bedienkonzepte

Moderne Visuali- sierung

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Technologie Studie – Trends aus anderen IndustrienCockpit, Consumerindustrie, Spielekonsole, Gestik

Select

Drag

Release

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Technologie StudieAnwendung von Touch-Technologie

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Produktionsübersicht – Bedienung von morgen?Eine Studie an einer realen Anlage

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Besuchen Sie uns hier auf der Konferenz!

Genießen Sie einen guten Latte Macchiato

Spenden Sie für Special Olympics

Erleben sie moderne Geräteintegration am Prototypen für FDI

Testen Sie Anlagenbedienung der Gegenwart und der Zukunft

Besuchen sie unsere weiterführenden Workshops:

Automatisierung: Gegenwart und Zukunft

Der Mensch im Fokus des Anlagenbetriebs

Das Engineering im Zeichen der Globalisierung

Produktivität und Investitionsschutz

FDI Field Device Integration

Ausstellung und Workshops

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Prozessleittechnik – Wege in die Zukunft

„…Es geht […] nicht darum, die Zukunft vorherzusagen, sondern sie zu gestalten…“*

* NAMUR Empfehlung NE121 – Qualitätssicherung leittechnischer Systeme, S. 11

ABB und NAMUR – gemeinsam die Zukunft gestalten

© ABB G

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