Zusammenfassung: Frühe DCS-Systeme waren vollständig geschlossene Systeme. Jeder Hersteller produzierte seine eigenen E/A-Komponenten, Steuerstationen, Bediener- und Ingenieursarbeitsplätze und entwickelte seine eigene Systemnetzwerk- und Steuerungskonfigurationssoftware. Die Anwender waren in jeder Phase untrennbar mit dem DCS-Hersteller verbunden und durch ihn eingeschränkt. Anders ausgedrückt: Die Hardware (einschließlich E/A-Komponenten, Steuerstationen, Bediener- und Ingenieursarbeitsplätze) verschiedener DCS-Hersteller war nicht austauschbar, die Systemnetzwerke waren inkompatibel, ein Informationsaustausch war nicht möglich, und es gab eine große Vielfalt an Steuerungskonfigurationssoftware. … Schlüsselwörter: SPS, IEC1131-3-Standard, DCS Anders ausgedrückt: Die Hardware (einschließlich E/A-Komponenten, Steuerstationen, Bediener- und Ingenieursarbeitsplätze) verschiedener DCS-Hersteller war nicht austauschbar, Systemnetzwerke waren inkompatibel, ein Informationsaustausch war nicht möglich, und es gab eine große Vielfalt an Konfigurationssoftware. Selbst multinationale Gerätehersteller mit mehreren DCS-Fertigungsstätten weisen diese Situation auf, mit Produkten aus ihren jeweiligen DCS-Werken, wie beispielsweise ABB mit Produkten wie Baileys INFI-90, Aseas MASTER und Hartmann & Brauns Freelance 2000. In den letzten Jahren hat sich diese Situation etwas verbessert. Bediener- und Ingenieursarbeitsplätze können nun auf Allzweckrechnern laufen; Hersteller geben ihre individuellen Systemnetzwerke zugunsten von Allzweckrechnernetzwerken auf; und mit der Integration von Feldbustechnologie in DCS sind sogar E/A-Komponenten frei wählbar. Das Einzige, was sich nicht geändert hat, ist die Konfigurationssoftware. Die mangelnde Interoperabilität der Konfigurationssoftware bedeutet, dass Anwender jede neue Software neu erlernen müssen und Hersteller erhebliche Ressourcen in die Entwicklung von Konfigurationssoftware investieren müssen. SPSen sind in dieser Hinsicht DCS voraus. Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) etablierte bereits 1993 den IEC 1131-Standard für SPS-Systeme. Dieser Artikel stellt den IEC 1131-3-Standard für standardisierte SPS-Programmierung und seine Anwendung in SPS vor und analysiert die Möglichkeiten und den aktuellen Anwendungsstand dieses Standards in Prozessleitsystemen (DCS). I. SPS und der IEC 1131-3-Standard: Seit ihrer Einführung im Jahr 1968 haben mikroprozessorgesteuerte SPS eine rasante Entwicklung durchlaufen und sich zu den am weitesten verbreiteten Steuerungseinrichtungen im Bereich der industriellen Automatisierung entwickelt. Angesichts der Vielzahl an SPS-Typen auf dem Markt formulierte die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) 1993 umgehend den IEC 1131-Standard, um die gesunde Entwicklung von SPS zu steuern. Der IEC 1131-Standard ist in fünf Teile gegliedert: IEC 1131-1 bietet allgemeine Informationen, führt in die allgemeine Logikprogrammierung ein und erläutert deren grundlegende Konzepte, Terminologie und Definitionen; IEC 1131-2 behandelt Montage- und Prüfanforderungen und beschreibt die Hardwareanforderungen und Prüfbedürfnisse für die Logikprogrammierung aus mechanischer und elektrischer Sicht; IEC 1131-3 legt einen Standard für Programmiersprachen fest, der die Stärken verschiedener Sprachen vereint und fünf Standardsprachen definiert. IEC 1131-4 bietet Anwenderhinweise mit Informationen zu Auswahl, Installation und Wartung sowie Benutzerhandbüchern. IEC 1131-5 spezifiziert Kommunikationsprotokolle für logische Steuergeräte und deren Interaktion mit anderen Geräten. Dieser Standard ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Industrie und Forschung in Europa, Nordamerika und Japan. In IEC 1131-3 definierten Experten zunächst Syntax, Semantik und Darstellung der Steuerungslogikprogrammierung. Anschließend wählten sie fünf bestehende Programmiersprachen aus und modifizierten diese, um die heute weit verbreiteten Sprachen zu schaffen. Drei dieser fünf Sprachen sind grafisch, zwei textbasiert. Grafische Programmiersprachen umfassen Kontaktpläne, Ablaufdiagramme und Funktionsbausteine, während textbasierte Sprachen Anweisungslisten und strukturierten Text beinhalten. Die IEC schreibt nicht vor, dass jedes Produkt alle fünf Sprachen ausführen muss; es kann eine oder mehrere Sprachen ausführen, solange alle dem Standard entsprechen. In der Praxis können in einem Projekt mehrere Programmiersprachen verschachtelt verwendet werden, sodass Anwender die einfachste Methode zur Generierung von Steuerungsstrategien wählen können. Nach der Veröffentlichung der Norm IEC 1131-3 haben viele SPS-Hersteller normkonforme SPS-Produkte auf den Markt gebracht. AB (Allenstein) ist eine Tochtergesellschaft von Rockwell, und viele ihrer SPS-Produkte bieten Softwareoptionen, die dem strukturierten Textstandard IEC 1131-3 entsprechen. Die Modicon TSX Quantum SPS-Produkte von Schneider Electric können das IEC 1131-3-konforme Softwarepaket Concept nutzen, das Modicon 984-Kontaktpläne unterstützt und mit den fünf Programmiersprachen der Norm IEC 1131-3 kompatibel ist. Die SIMATIC-Systeme S7-300, S7-400 und C7-620 von Siemens verwenden alle das SIMATIC-Softwarepaket. Der Leiterdiagramm-Teil entspricht der Norm IEC 1131-3. Die optionale Software S7-SCL (Structured Control Language) übernimmt Datenverarbeitungsaufgaben wie Formelberechnungen und vereinfachte Operationen für komplexe Optimierungsalgorithmen. Eine weitere optionale Software, S7-GRAPH (Standardized Display), ermöglicht die Steuerung komplexer Abläufe mit mehreren bedingten Übergängen. Diese beiden optionalen Softwareprogramme entsprechen den strukturierten Text- und Ablaufdiagrammen der Norm IEC 1131-3. Zur Vereinfachung der Anwendung wird außerdem eine Konvertierungssoftware bereitgestellt, mit der die zuvor von Siemens (deren Produkte unter anderem SPSen des übernommenen Unternehmens Texas Instruments umfassen) verwendeten STEP5/TISOFT-Programme auf das SIMATIC S7-System umgestellt werden können. Das WinCAT-SPS-Steuerungssystem von Backhoff nutzt die industrielle Steuerungssoftware WinCAT, die alle fünf Sprachen der Norm IEC 1131-3 unterstützt. Die von Advantech angebotenen SPS-Produkte ADAM-5510/P31 und STAR P31 der Beijing Jikong Company nutzen beide das Softwarepaket Paradym-31, welches die drei im IEC-1131-3-Standard spezifizierten Sprachen umfasst: Ablaufdiagramm, Kontaktplan und Funktionsbausteindiagramm. Bezüglich der Möglichkeit, dass Prozessleitsysteme den IEC-1131-3-Standard übernehmen, hat ein amerikanisches Unternehmen, das bereits Steuerungssoftware für Honeywell, ABB Bailey, Westinghouse und Rockwell entwickelt hat, kürzlich das Prozessleitsystem M mit SPS auf den Markt gebracht. Als Nutzer jedoch nachfragten, ob das M-System der Norm IEC 1131-3 entspricht, antwortete das Unternehmen: „Die Norm IEC 1131-3 ist speziell für SPS-Systeme konzipiert. Sie dient als Benchmark für die Entwicklung von Steuerungen mit denselben Programmen (und sogar denselben Programmierwerkzeugen). Viele Anforderungen dieser technischen Normen sind für Prozessleitsysteme nicht relevant. Daher hat das M-System, wie viele andere DCS-Prozessleitsysteme auch, festgestellt, dass die Norm IEC 1131-3 für die Prozesssteuerung ungeeignet ist.“ Diese Sichtweise erscheint dem Autor aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Umsätze des Unternehmens im Markt für Steuerungssoftware etwas einseitig. Tatsächlich sind moderne SPSen nicht mehr nur reine Steuerungen. Viele SPS-Produkte haben die Stärken von DCS übernommen und sich gegenseitig durchdrungen und integriert. Funktionen, die früher DCS vorbehalten waren, wie die konventionelle PID-Regelung, die erweiterte Schleifenregelung und komplexe mathematische Berechnungen, sind heute Standard in SPS-Produkten. Im Wesentlichen können SPS-Systeme nahezu alle von DCS benötigten Funktionen ausführen. Viele Experten gehen daher davon aus, dass sich die Funktionen von DCS und SPS zunehmend angleichen und die Unterschiede zwischen beiden allmählich verschwinden. SPS-Systeme können die Steuerungssoftwarekonfiguration gemäß IEC 1131-3 durchführen, und auch DCS sollte dies mithilfe dieses Standards ermöglichen. Die Funktionen der DCS-Steuerungssoftwarekonfiguration lassen sich im Wesentlichen in drei Kategorien einteilen: Logiksteuerung digitaler Signale, PID-Regelung analoger Signale und komplexe mathematische Berechnungen. Die Logiksteuerung von Schaltgrößen kann selbstverständlich mithilfe von Programmiersprachen wie Kontaktplänen, Ablaufdiagrammen und Anweisungslisten realisiert werden; einfache PID- und fortgeschrittene Regelkreise lassen sich mit Funktionsbausteindiagrammen umsetzen, und komplexere Regelkreise können mit strukturiertem Text realisiert werden. Mathematische Operationen wie Regelkreise können ebenfalls mit Funktionsbausteindiagrammen und strukturiertem Text durchgeführt werden. Komplexere Anforderungen werden in DCS derzeit mit spezieller Ausrüstung und speziellen Konfigurationsmethoden abgedeckt. Beispielsweise werden im Honeywell TDC-3000-System Anwendungskomponenten, Recheneinheiten und die höhere Steuerungssprache CL speziell für diese Aufgaben eingesetzt. Die praktische Anwendung des IEC-1131-3-Standards in Prozessleitsystemen (DCS): Siemens' SIMATIC PCS7 DCS, basierend auf SIMATIC S5 und S7, nutzt den IEC-1131-3-Standard in seinem gesamten Engineering-Toolset. Moore Process Automatic Solutions verwendet die Konfigurationssoftware 4-mation in seinem vierfach redundanten Sicherheits-SPS-Steuerungssystem (QUADLOG). Die Software unterstützt die vier Programmiersprachen des IEC-1131-3-Standards: Kontaktplan (KOP), Ablaufdiagramm (FFC), Funktionsbausteindiagramm (FB) und strukturierter Text (STD). Die 4-mation-Software kommt auch im APACS DCS/SPS-Hybrid-Steuerungssystem des Unternehmens zum Einsatz. Fisher-Rosemounts DeltaV-Steuerungssystem mit Feldbus, eingeführt 1996, verwendet die Konfiguration nach IEC 1131-3. L&Ns MAX1000+PLUS DCS integriert und erweitert die ISaGRAF-Software von CJ International in seinem Konfigurationstool MAXVUE und bietet fünf Programmierfunktionen gemäß IEC 1131-3. Hartmann & Braun, eine Tochtergesellschaft von ABB, nutzt DigiTool, eine Konfigurationssoftware für ihr Prozessleitsystem Freelance 2000. DigiTool unterstützt vier Programmiersprachen gemäß IEC 1131-3: Kontaktpläne, Ablaufdiagramme, Funktionsbausteine ​​und Anweisungslisten. Es bietet außerdem über 190 praxiserprobte Funktionsbaustein-Subroutinen und mehr als 200 benutzerdefinierte grafische Symbole. CiT (Seater), bekannt für seine industrielle Steuerungssoftware Citect, verwendet das modulare, offene Steuerungssystem MOX (inklusive des Abtast- und Überwachungssystems CSS), das gemäß IEC 1131-3 konfiguriert ist und die Software ISaGRAF von CJ International (Frankreich) nutzt. Um die Interoperabilität von Produkten verschiedener Hersteller zu gewährleisten, hat die International Fieldbus Foundation (IFF) Dutzende gängiger Standard-Funktionsbausteine ​​und deren Parameter entwickelt. Diese Funktionsbausteine ​​entsprechen den Funktionsbausteindiagrammen der IEC 1131-3. Im obigen Beispiel wird die Software ISaGRAF von CJ International (Frankreich) zweimal erwähnt. Es handelt sich um eines der drei wichtigsten Konfigurationsprogramme, die dem IEC-1131-3-Standard entsprechen (die anderen beiden sind InControl von Wonderware und Paradym-31 von Wizdom Controls). ISaGRAF ist eine benutzerfreundliche Plattform mit einer Windows-ähnlichen grafischen Oberfläche, die für Systemkonfiguration, Debugging und Wartung eingesetzt wird. Auch chinesische DCS-Produkte stehen in diesem Bereich nicht hinterher. Das Intelligent Equipment Institute des Automation Research Institute des Ministeriums für Metallurgie führte den IEC-1131-3-Standard als erstes ein und nutzte ihn in seinem Feldbus-Steuerungssystem EIC2000. Beispielsweise werden sowohl die im Subsystem EIC2000-LON enthaltene OnLon-Software als auch die im Subsystem EIC2000-ST enthaltene Workbench-Software von ISaGRAF unterstützt. Auch Beijing Hollysys erkannte frühzeitig die Bedeutung des IEC-1131-3-Standards. Daher übernahmen sie in ihrem HS2000-DCS die Standardsprachen für Kontaktpläne, Funktionsbausteindiagramme und strukturierten Text. 1999 nutzten sie in ihrem FOCS-Steuerungssystem mit Feldbus und dem fortschrittlichen MACS-Steuerungssystem alle fünf Programmiersprachen des IEC-1131-3-Standards. Shanghai Xinhua Control Engineering Co., Ltd., ein führendes Unternehmen in der Energiewirtschaft, verwendet in seiner XDPS-400-DCS-Konfigurationssoftware die IEC-1131-3-konforme Funktionsbausteindiagramm-Programmiersprache. Zhejiang Weisheng Automation Co., Ltd., ein Unternehmen mit umfangreichen Anwendungen in der chemischen Industrie, verwendet in seinem neu eingeführten FB-3000-DCS mit Feldbusunterstützung eine IEC-1131-3-konforme Konfigurationssoftware. Zhejiang Zhehai Haina Control Automation Co., Ltd., mit über 500 in China installierten DCS-Systemen, unterstützt in seinem neuesten System JX-300X ebenfalls die IEC 1131-3-Standards für Kontaktpläne, Funktionsbausteine ​​und Ablaufdiagramme. Im Juni 2000 brachte Shenzhen Devison Co., Ltd. das flexible Steuerungssystem TCS auf den Markt, dessen Konfigurationssoftware TP311 und TP321 den IEC 1131-3-Standard verwendet. In unserer Praxis nutzten wir bei der Konfiguration der Steuerungssoftware für das zur Materialzusammensetzungs- und -verteilungssteuerung eingesetzte DCS HS2000 verschiedene Programmiersprachen, darunter Kontaktpläne, Funktionsbausteine ​​und strukturierte Texte. Insbesondere bei der Konfiguration komplexer Algorithmen zur Materialdosierungssteuerung mittels strukturierter Texte auf Basis von Röntgenfluoreszenzanalysen erwies sich deren Funktionalität als sehr leistungsstark. Wir konnten keine Inkompatibilität zwischen dem IEC 1131-3-Standard und der Prozesssteuerung feststellen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Programmiersprachen, die auf dem IEC-1131-3-Standard basieren, benutzerfreundlich und praxisorientiert sind und einen hohen Standardisierungsgrad aufweisen. Anwender können sich schnell mit dem Konfigurationsprozess vertraut machen und ihr vorhandenes Wissen auf das neue System übertragen. Herstellern ermöglicht dies, Personal und Ressourcen in DCS-Hardware, Netzwerke oder andere Aspekte zu investieren. Daher sollte die Anwendung des IEC-1131-3-Standards für die Konfigurationssoftware von DCS-Steuerungen eine der Entwicklungsrichtungen für DCS sein.