Die Zukunft sicherer gestalten

Die Simulationstechnik liefert Unternehmen durch die Möglichkeit der Produkt- und Verfahrensoptimierung einen konkreten Hebel zur Kostenreduzierung und Steigerung ihrer Wettbewerbsfähigkeit an die Hand. Anlagen- und Prozesssimulatoren stellen ein dynamisches Modell der realen Anlage dar, angefangen von der Bedienoberfläche über Automatisierungsgeräte, Feldgeräte und die Aktor-Sensor-Ebene bis zum verfahrenstechnischen Prozess. Mit ihnen lässt sich das wesentliche Prozessverhalten für Normalbetrieb, Anlauf und Wiederanlauf, Abfahren und Störfälle klären.

Der Simulationsmarkt wächst zur Zeit zweistellig. Für kontinuierliche Prozesse betrug das Marktvolumen 1997 649 Mio. US$ und wird bei einem Wachstum von rund 18% pro Jahr voraussichtlich auf 1,5 Mrd. US$ im Jahr 2002 ansteigen. „Allerdings ist das genaue Marktvolumen nicht quantifizierbar, da der Markt noch weitgehend ungesättigt ist“, erklärt Dr. Kai Schulz, Segmentleiter IT Industry Solutions, Siemens ATD. „Das liegt daran, dass viele Unternehmen noch nicht wissen, wie man mit Simulation umgeht und welche Vorteile sich daraus ergeben.“ Die höchsten Wachstumsraten weisen die Pharmabranche und die Nahrungsmittelindustrie auf. Simulationen können hier zu deutlichen Kostenreduzierungen führen, da zum Großteil Mehrproduktanlagen im Batchbetrieb eingesetzt werden. Siemens bündelt alle Aktivitäten des Bereiches Anlagenbau und Technische Dienstleistungen auf dem Gebiet der Simulation unter dem Dach des Siemens Simulation Center.

In der Prozessindustrie lassen sich durch Simulation die mengenproportionalen Kosten der Produktion wie die Rohstoff- und Energiekosten einer Anlage im voraus abschätzen. Zudem kann bei der realen Anlage die Testphase deutlich verkürzt oder komplett vermieden werden. Bereits während der Errichtung der Anlagenkomponenten gestattet es die Simulation, die Prozessautomatisierungsfunktionen im Rahmen einer Vorinbetriebnahme zu testen. Die Anlage wird dann vor Ort sofort in Betrieb genommen. Da häufig Vertragsstrafen bei Übergabeverzug oder auch die Prämien für vorzeitige Übergabe vereinbart sind, lässt sich mit einer Simulation ein erheblicher wirtschaftlicher Nutzen erzielen (Abb. 2).

Neben einer verkürzten Projektierungszeit sorgt die Simulation auch für die Betriebssicherheit der Anlagen. Technische und menschliche Fehler lassen sich so aufspüren oder schon von vornherein vermeiden. Selbst fehlerfrei ausgelegte Anlagen enthalten Sicherheitsrisiken durch möglichen Ausfall von Anlagenteilen. Oft bleibt ein Fehler unbemerkt, bis ihn eine kritische Situation zum Vorschein bringt. Im Rahmen einer Anlagenrevision lassen sich beispielsweise Reglerkomponenten mit mobilen Simulatoren einer regelmäßigen Überprüfung unterziehen. Um das Risiko durch menschliche Fehler zu minimieren, werden Simulatoren zur Schulung eingesetzt.

Das Anlagen- und Prozesssimulationssystem Simit des Siemens-Bereiches Anlagenbau und Technische Dienstleistungen (ATD) hat zum Ziel, die Qualität der Planung, Projektierung und Inbetriebsetzung von Anlagen zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Simit unterstützt dabei durchgängig den Lebenszyklus einer Anlage. Der Zusatzaufwand für die Simulation lässt sich sehr klein halten, wenn die in den Projektierungstools vorliegenden Daten automatisch in den Prozesssimulator übernommen werden. Aus diesem Grund bietet Simit Schnittstellen zu verschiedenen Projektierungswerkzeugen wie XMAT.

Für eine Simulation vor der Errichtung der Anlage lassen sich aus Bibliotheken die Anlagenkomponenten, zum Beispiel Ventile, Motorantriebe oder komplexe Bauteile per Mausklick zu beliebig umfangreichen Modellen zusammenfügen. Spezielle Simulationskenntnisse sind dafür nicht erforderlich, da sich die gesamte Mathematik hinter den Komponenten verbirgt. Der Anwender kann die Komponenten mit Hilfe des Komponententyp-Editors einfach an seine Bedürfnisse anpassen. Alle Komponenten im Simit Simulationsprogramm sind prinzipiell gleichartig aufgebaut. Definiert werden sie durch ihre Ein- und Ausgänge, ihre Zustandsgröße, ihre Parameter, ihre grafische Darstellung, ihr funktionales Verhalten und ihr Bedienfenster. Das Bedienfenster zeigt den aktuellen Zustand der Komponente an und ermöglicht direkte Eingriffe in die Komponente. Das Bedienfenster eines Ventils zeigt während der Simulation zum Beispiel den aktuellen Öffnungsquerschnitt. Per Mausklick lässt es sich öffnen und schließen. Auch Störfunktionen, beispielsweise ein Leck in einer Rohrleitung, sind frei definierbar. Sie werden ebenfalls über das Bedienfenster aktiviert oder deaktiviert.

Vor der Inbetriebsetzung der Anlage prüft Simit, ob das Leitsystem allen Erfordernissen gerecht wird. Damit lassen sich Projektierungsfehler beseitigen, die Wahrscheinlichkeit von Störfällen reduzieren und die Fahrweise der Anlage unter den durch die Projektierungssimulation ermittelten Randbedingungen optimieren. Das Verhalten der Automatisierungstechnik kann sowohl mit einfachen Testsignalen als auch in einem geschlossenen Wirkungskreis mit der simulierten Prozesstechnik geprüft werden. Für den betriebsnahen Anlagentest wird der Prozesssimulator an den automatisierungstechnischen Aufbau angeschlossen. Sofern die Feldgeräte in diesem Aufbau enthalten sind, kommuniziert der Simulator direkt mit den Feldgeräten über gewöhnliche Analog- oder Binärsignale. Als Schnittstelle kommen analoge oder binäre Ein-/Ausgabebaugruppen aus dem VME-Bus-Spektrum zum Einsatz. Sind die Feldgeräte nicht im Aufbau enthalten, werden sie simuliert.

In Verbindung mit anderen, übergeordneten Software-Werkzeugen zur Fehleranalyse ist der Anlagen- und Prozesssimulator Simit für eine frühzeitige Fehlerdiagnose in der realen Anlage einsetzbar. Es lassen sich beispielsweise Beeinträchtigungen durch Alterung und Verschleiß durchspielen. Da die Bedien- und Beobachtungsoberfläche der Oberfläche von echten Leitsystemen entspricht, lässt sich Simit auch als Trainingssimulator für das Anlagenpersonal verwenden. Das Modell, das während der Projektierung entstanden ist, wird dann bei Schulungen weiterverwendet. Der Simulator ist in Java-Technologie implementiert und läuft unter Windows NT. Für die Echtzeitsimulation einer größeren Anlage wird der PC nur zur Modellierung und Steuerung der Simulation verwendet, während die eigentliche Simulation auf einem skalierbaren Mehrprozessorrechner abläuft. Dieser besteht aus einer oder mehreren CPU-Karten mit Ethernetanschaltung, die in einem gemeinsamen Rahmen über VME-Bus miteinander verbunden sind.

E cav 201

Das im November 1999 offiziell eröffnete Siemens Simulation Center bündelt die Aktivitäten des Siemens-Bereiches Anlagenbau und Technische Dienstleistungen auf dem Gebiet der Simulation. Seine Stärken liegen im fundierten technologischen Know-how für verfahrenstechnische Prozesse und den Erfahrungen mit Echtzeitsystemen. Seit über zehn Jahren wurden 120 Großanlagen voll digital in Echtzeit simuliert. Gleichzeitig wurden umfangreiche Modellbibliotheken entwickelt. Das Siemens Simulation Center besitzt eine Testfläche von über 1000 m². Umfangreiche Hardwarebestände von Peripheriebaugruppen bis zu den schnellsten Echtzeitrechnern gestatten die parallele Abwicklung von bis zu acht Großanlagen. Zudem können in mobilen Einsätzen Anlagen vor Ort in bestimmten Teilsystemen durch Hardware-in-the-Loop-Tests überprüft werden.