Distributed control in process automation - with the focus on possible applications of IEC 61499

Abstract

Industrial companies are nowadays confronted with a difficult challenge on the global market. In order to succeed, they have to fabricate high-quality products based on consumer demands with short manufacturing periods at low costs. This challenge affects various domains including process industries. Some fields of process industries such as the petrochemical industries rely on historically grown systems with long life-spans. However, other sectors as for example pharmaceutical and biotechnological industries require flexible production facilities. By applying Batch Processes and modifiable recipes, small amounts of highly differentiated products can already be created.<br />Even though the applied processes are suitable for a flexible production, the used automation systems are still based on classical approaches that do not support easy modifications concerning their functionality. New control architectures are therefore necessary to further emphasize the gains of flexible production facilities.<br />Hence, a concept of a new control system for Process Automation has to be developed to meet these demands. To become acquainted with Process Automation, a survey presented in this thesis delivers the requirements and conditions of the target domain. Technical standards as well as existing engineering methods are therefore examined. Moreover state-of-the-art control concepts, that might be used or modified to design the control architecture, are analyzed in regard to the domain of Process Automation.<br />Based on the survey, this thesis introduces a new Distributed Control Architecture for Process Automation. This architecture is composed of Mechatronic Control Components with software elements based on the technical standard IEC 61499. Furthermore an intuitive engineering method for the development of applications is presented and used to convert a Control Recipe into an IEC 61499 Application.<br />Finally an actual implementation on a laboratory process plant is performed to evaluate the control architecture as well as the engineering method. This examination reveals certain gains and problems which are discussed to determine any practical impact and possible future research topics.<br />

Im Zuge der immer weiter voranschreitenden Globalisierung stellt der heutige Weltmarkt für die Unternehmen vieler Industriezweige eine große Herausforderung dar. Um erfolgreich zu sein, sind diese Unternehmen gezwungen, hoch qualitative auf Kundenwünschen basierende Produkte in möglichst kurzer Zeit und unter möglichst geringem Kostenaufwand zu erzeugen. Auch jene, die auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik tätig sind, sehen sich mit dieser Tatsache konfrontiert. Im Speziellen betrifft dies beispielsweise Unternehmen aus den Bereichen Pharmaindustrie oder Biotechnologie. Chargenprozesse und modifizierbare Rezepte werden in diesen Industriezweigen bereits erfolgreich eingesetzt.<br />Auch wenn diese Chargenprozesse im Vergleich zu kontinuierlichen Prozessen bereits eine flexiblere Produktion ermöglichen, so basieren die eingesetzten Automationssysteme auf klassischen Ansätzen der Steuerungstechnik, welche Modifikationen hinsichtlich ihrer Funktionalität nur bedingt unterstützen. Um die Vorteile der flexiblen Produktion intensiver als bisher nutzen zu können, sind somit neue Steuerungskonzepte notwendig.<br />Im Zuge dieser Diplomarbeit wird daher ein neuartiges Steuerungskonzept für die Verfahrenstechnik entwickelt. Hierfür ist es zuallererst notwendig, die Rahmenbedingungen der Domäne Verfahrenstechnik zu bestimmen. Technische Standards und existierende Steuerungskonzepte dieser Domäne werden daher untersucht. Weitere Automatisierungskonzepte, die in der Verfahrenstechnik noch nicht eingesetzt wurden, aber möglicherweise für eine Umsetzung in Frage kommen, werden hinsichtlich ihrer Eignung analysiert.<br />Auf Basis der gewonnenen Ergebnisse der Umfeldstudie wird eine neuartige verteilte Steuerungsarchitektur vorgestellt. Diese setzt sich aus Mechatronischen Steuerungskomponenten zusammen, deren Software auf dem technischen Standard IEC 61499 basiert. Des Weiteren stellt diese Diplomarbeit eine intuitive Designmethode für die Entwicklung von Steuerungsapplikationen vor, die bei der Konvertierung eines Steuerrezepts in eine IEC 61499 Applikation zur Anwendung kommt.<br />Schlussendlich wird eine Implementierung auf einer verfahrenstechnischen Laboranlage durchgeführt, um die vorgestellte Steuerungsarchitektur, sowie die Designmethode, testen und bewerten zu können. Die hierbei erzielten Resultate werden hinsichtlich gewonnenen Nutzens und etwaiger auftretender Probleme betrachtet und weitere aus dieser Arbeit abgeleitete Forschungsthemen vorgestellt.