Plant information models for OPC UA: case copper refinery

Abstract

Isojen laitosten informaation rakenne on usein hankala ihmisen hahmottaa silloin, kun kaikki tieto on yhdessä listassa. Jotta laitoksen informaatiosta saadaan parempi kokonaiskuva, tarvitsee se mallintaa jollakin tekniikalla. Kun laitoksen mallintaa hierarkkisesti, pystyy sen rakenteen hahmottamaan helpommin. Lisäksi, kun malliin saadaan tuotua mittaussignaaleja ja muuta mittauksiin ja muihin arvoihin liittyvää dataa, saadaan se tehokkaaseen käyttöön. Nykyään paljon käytetty klassinen OPC tuo datan käytettäväksi ylemmille laitoksen tasoille. OPC tuo mittaukset pelkkänä listana, eikä se tuo mittausten välille mitään metatietoa. Tässä työssä on tarkoitus tutkia, miten mallintaa esimerkki laitokset käyttäen klassisen OPC:n seuraajaa OPC UA:ta. Työn tavoitteena on tutkia eri OPC UA:n mallinnustyökaluja, menetelmiä ja itse mallinnusta. Työssä tutustutaan OPC UA:n lisäksi ISA-95:n ja sen OPC UA- malliin ja miten tätä mallia pystyy käyttämään oikean laitoksen mallinnuksessa hyödyksi. ISA-95 lisäksi tutustutaan toiseen malliin nimeltä CAEX. CAEX on alun perin suunniteltu suunnitteludatan tallentamiseen standardoidulla tavalla. CAEX:sta on olemassa myös tutkimuksia OPC UA:n kanssa käytettäväksi ja tässä työssä tutustutaan, onko mallinnettavien tehtaiden kanssa mahdollista käyttää CAEX:ia hyödyksi. Virallista OPC UA CAEX- mallia ei ole vielä tosin julkaistu. Lisäksi tutkitaan, miten CAEX- malli ja ISA-95- malli eroavat toisistaan. Työssä mallinnetaan osittain yksi kuparijalostamo ja yksi elektrolyysilaitos. Työssä lisäksi pohditaan, miten kyseiset laitokset saadaan mallinnettua ja miten malleja pystytään järkevästi ylläpitämään muutostilanteissa. ISA-95- mallin käyttö onnistui hyvin ja esimerkki tehtaat saatiin mallinnettua tarvittavalla tarkkuudella OPC UA avaruuteen. Työkalussa jota käytettiin tehtaiden mallinnuksessa, tuli vastaan joitain ongelmia, jotka työkalun kehittäjät korjasivat. Lisäksi saatiin suunniteltua, miten klassisen OPC:n kautta tai muista UA servereistä saadaan tuotua dataa. Työssä tutkitaan myös erilaisia arkkitehtuuriratkaisuja. Työssä lopulta päädyttiin kahteen vaihtoehtoon. Toinen on helppo konfiguroida ja ottaa käyttöön klassista OPC:tä käyttäen. Toinen, joka on vaikeampi konfiguroida ja ottaa käyttöön, mutta jolla on paremmat tulevaisuuden mahdollisuudet OPC UA:ta täysin hyödyntäen. Tuotannonohjaus tyyliseen käyttöön ISA-95- malli on CAEX- mallia parempi. CAEX- mallia kannattaa käyttää silloin, kun suunnittelutyökalut tukevat CAEX- mallista dataa ja lopputulos tulee SCADA- tason käyttöön. Lisäksi, jos tarvitaan ISA-95:n sisältämiä rakenteita ja tietotyyppejä, ei CAEX:a voida käyttää. Työssä testattiin lisäksi, miten OPC UA Analyzer Device Integration- mallia voitaisiin käyttää raekoko analysoijan kanssa. Selvisi, että malli soveltuu erittäin hyvin kyseiseen tehtävään. ADI- mallin rakennuspalikat mahdollistavat analysoijan mallintamisen tarpeeksi joustavalla tavalla.

It is not unusual that there is not always a good overall picture of all the information a big plant contains, especially when we go to single equipment. To get a better overall picture from the plant it should be modelled by some technique. When a plant is modelled hierarchically it is easier to get a better understanding of the plant. After you get measurement signals and other data to the model the model can be used effectively. Currently popular technique, classic OPC, can bring data from the equipment. The data in OPC is just a plain list without any metadata. The goal in this thesis is to research how to model the example plant using OPC UA which is a successor of the classic OPC. The main three goals in this thesis are to research different OPC UA modelling tools, methods and modelling. Thesis also consists of getting to know ISA-95 and its OPC UA model and how it can be used in modelling a real life plant. After getting to know ISA-95, there is a section about the CAEX- model. CAEX was initially designed to store engineering data from the engineering tools. There are some researches how it can be used with OPC UA. The official OPC UA CAEX- model is not yet released but some research has been done in Germany. In this thesis those researches will be used to check if the CAEX- model is a good choice in this situation. Next ISA-95 and CAEX models will be compared. For testing these models few different plants will be modeled. In this thesis it is researched how to model a plant and how to get the needed engineering data to succeed in this task. There were some problems when modelling plant models with the chosen modelling tool but those problems were solved by the tool distributor. After the fixes the plant was model successfully over the ISA-95-model. It is also covered how to get real-time data from a real plant into the OPC UA model using the classic OPC or other UA servers. One part of the thesis involves few alternatives for the architecture design. After researching there are few possible architecture choices, one of which is easy and cheap to configure with classic OPC and another which is harder to configure but which have better future possibilities. The CAEX- model was researched and the result was that it wasn’t the best choice to model a plant in this thesis. It will be better to use the ISA-95- model to model a MES-level plant instead of CAEX. CAEX can be used for example with SCADA systems if engineering tools can offer CAEX- data. OPC UA Analyzer Device Integration model also was tested for particle size analyzer. Result was that model can be used well with this analyzer, although working server was not developed in this thesis. Building blocks in ADI model give good foundation to make analyzer device model.