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Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik
Engineering Prozessleittechnik
VL Prozessleittechnik I (SS 2011)Professur für ProzessleittechnikProf. Dr.-Ing. Leon Urbas, Michael Obst, Falk Doherr
12.07.2011 PRLT (c) Urbas 2008-2011 Folie 2
Überblick• Engineering in der Prozessindustrie
Ziele, Aufgaben und (Vorgehensmodelle)• Computer Aided Engineering
Anforderungen: Gewerke und Sichten Lösungsansätze: Datenbanken, Werkzeuge
• Engineering leittechnischer Funktionen Identifikation: Anlagenhierarchie und
Kennzeichnungssysteme Abstraktion: Planarten zur grafischen Darstellung
von Zusammenhängen• Medienbrüche
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Ziele des PLT-Engineerings
• Nahtlose Umsetzung der funktionalen Forderungen der Prozessingenieure (Chemie, Anlagenbau, Verfahrenstechnik)
• Mittel für die Prozessführung Messen, Steuern, Regeln, Überwachen, Visualisieren, Bedienen Instrumentierung, Kommunikation
• Planung, Auslegung und Implementierung von Energieversorgung Zusichern und Bereitstellen der notwendigen Kapazitäten Zuverlässige räumliche Strukturen (Trafostation, Kabelbrücken)
• Anbindung an übergeordnete Unternehmens- und Betriebsleitebenen
• Schutz- und Sicherheitseinrichtungen realisieren SIL - Safety Integrity Level SIS - Safety Instrumented System
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Arbeitsplätze für das Engineering
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Arbeitsplätze für das Engineering
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Warum CA-Systeme?
Bewältigung der steigenden Effizienz-, Zeit- und Qualitätsanforderungen an die Unternehmen (Planungsingenieure)
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Anforderungen an CA-Systeme• der Computer soll den Menschen nicht ersetzen
• CA-Systeme sollen die menschlichen Fähigkeiten und Qualitäten ergänzen und erweitern
• sie sollen helfen die menschlichen Schwächen auszugleichen bzw. abzufangen
unsystematisches Vorgehen
Vergessen von Einzelheiten
mangelnde Übersicht über die Zusammenhänge und Fakten, die sich während des Engineeringprozesses auch noch ändern
CA-Systeme
technisches System
Der Mensch muss noch immer die maßgeblichen Arbeiten selber vollführen und sollte die letztendliche Verantwortung nicht an den Computer abgeben (können)!
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Überblick - CA-Systeme
(nach Lauber, R. u. Göhner, P. 1999)
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CAD (CAE) – Der Anfang• 1963 entwickelte Ivan Sutherland am MIT
(Massachusetts Institute of Technology) das Programm „Sketchpad“, mit dem über ein Lichtgriffel einfache Zeichenobjekte erzeugt und in ihrer Größe verändert werden konnten Video
Fototransistor
Auslöser
Elektronik konventionell Nutzung heute
Lichtpistole
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CAD (CAE) – Der Anfang• Ende der 60er bis Mitte der 70er Jahre entstehen vor
Allem im Flugzeugbau erste kommerzielle CAD-Systeme (2D), die mit Hilfe von IBM-Großrechnern liefen
CADAM (Computer Augmented Design And Manufacturing) der Fa. Lockheed
• Weiterentwicklung von CADAM durch Fa. Avions Marcel Dassault
CATIA (Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application)
• Forschung an der Universität Cambridge zur Nutzung einfacher 3D-Körper
PDMS (Plant Design Management System) der Fa. Aveva
• Im Laufe der 80er Jahre ist mit dem Programm AutoCADdas rechnergestützte Konstruieren auch auf Heimrechner möglich
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CAD CAE – Der Übergang• CAD-Systeme wurden konzipiert, um den Menschen bei der
Erzeugung von technischen Zeichnungen zu unterstützen (sauberes Zeichnen, Änderungsanpassungen, Symbolbibliotheken, Wiederverwendbarkeit, Reproduzierbarkeit)
• im Laufe der Zeit war es notwendig, mehr und mehr Informationen zu den einzelnen Zeichnungsobjekten bereitzustellen und zu interpretieren
• Werden neben dem eigentlichen Design- (Entwurf, Zeichnung) auch Projektierungsaufgaben durch diese Systeme übernommen, spricht man nicht mehr von CAD- sondern CAE-Systemen.
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CAD CAE – Der Übergang
Steht hinter einem CAD-System ein Datenmodell für die Objekte, welches die Objekte selber, ihre Eigenschaften und ihre Relationen abbildet, und existiert eine Komponente für die Datenhaltung, so handelt es sich um ein CAE-System.
die Eigenschaften sind vor allem nichtgrafische Aspekte
das „E“ bedeutet nicht nur Datenhaltung in Formularen, sondern stellt im wesentlichen die Informationsbasis für alle Meilensteine beim Engineering einer technischen Anlage dar (notwendig für die Generierung von Planungsdokumenten wie Listen, Datenblättern, Angebotsanfragen u.a.)
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(nach Rauprich u. a. (2002))
Vergleich von CAE-Systemen für die Prozessautomatisierung (1/2)
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CAE-Werkzeugvielfalt• in allen Lifecycle-Phasen kommen eine Vielzahl unterschiedlichster CAE-Systeme zum
Einsatz (Je nach Gewerk, eigene, auf ihre Umgebung optimierte CAE- Systeme) Einsatzgründe:
hist. großer Marktanteil und weite Verbreitung
Speziallösungen; besondere Funktionen (features)
Zwang (z.B. teilweise bei Entwicklungsumgebungen von Steuerungen)
Verfahrensentwicklung
Apparate- und Rohrleitungsplanung
Instrumentierung (PLT-Hardware)
Instrumentierung (PLT-Software)
Elektroplanung
weitere für bspw. die Konfiguration der Feldgeräte und Steuerungen und die Instandhaltung der Anlage
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CAE-Systeme für die Verfahrensauslegung
• Aufgabe: Verfahren in Grobstruktur konzipieren Anlagenteile dimensionieren Energieverbrauch und Sicherheit optimieren
• Zielgruppe Verfahrenstechnik
• Methoden Modellierung Stationäre und dynamische
Simulation• Simulationswerkzeuge zur
Prozessmodellierung wie
z.B. Aspen-Hysys, UniSim, Matlab
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CAE-Systeme für die Fließbilderstellung
• Aufgabe: Erstellen von Fließbildern nach EN ISO 10628 (Grundfließbild,
Verfahrensfließbild, Rohrleitung & Instrumentenfließbild (RI)• Zielgruppe
Verfahrenstechnik, MSR• Werkzeuge: SmartPlant P&ID, Comos, weitere CAD-Systeme
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CAE-Systeme für die Aufstellung-, Apparate- und Rohrleitungsplanung
• Aufgabe: Planung der räumliche Anordnung von Apparaten und Maschinen in
einem dafür konzipierten Anlagengerüst Bestimmung Platzbedarf, Abschätzung Mengengerüste, Optimierung
von Investitions- und Montagekosten, Instandhaltung, Bedienung, Wege, Sicherheit, Instandhaltung durch Bestimmung von Ort und Lage
• Zielgruppe Stahlbau, Apparatebau
• Bsp.: z.B. AutoCAD, MicroStation, PDS 3D
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CAE-Systeme für die Aufstellung-, Apparate- und Rohrleitungsplanung
Stahlbau
Rohrleitungen
Virtuelle Begehung
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Rohrleitungs-isometrie
CAE-Systeme für die Aufstellung-, Apparate- und Rohrleitungsplanung
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CAE-Systeme für die Instrumentierung (PLT-Hardware)
• Aufgabe: Feldinstrumentierung, Verkabelung, Schalträume Für Elektrotechnische Aufgaben: Stromlaufplan Für MSR-Aufgaben: PLT-Stellenplan
• Zielgruppe MSR
• z.B. SmartPlant Instrumentation, Comos, PRODOK, E-PLAN
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CAE-Systeme für die Instrumentierung (PLT-Software)
• Aufgabe: Planung und Entwicklung der Logik von MSR und PLT-Aufgaben
(Steuerungs- und Regelungsprogrammentwurf) IEC 61131-3, VDI/VDE 3696 – Systemneutrale Programmierung
• Zielgruppe MSR, PLT
• z.B. logiDOC, Comos
Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik
Planungsdokumente für dieProzessautomatisierung
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Planungsdokumente
Planungsdokumente graphisch - nicht graphisch
gewerkeübergreifend – gewerkespezifisch intern (Planung) – extern (Beschaffung, Hersteller) unternehmensspezifische Dokumente
Datenblätter, Listen,PLT-Stellenblätter, Beschreibungen,Gutachten,Geräteanforderungen, …
Verfahrenstechnische Fließbilder, Stromlaufpläne, Netzpläne,PLT-Stellenplan, Funktionspläne,Gebäude- und Lagepläne, Anschlusspläne, Aufstellungspläne, …
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Zeichnerische Darstellung des Ablaufs, Aufbaus und der Funktion einer verfahrenstechnischen (Teil-)Anlage
Wesentliches Mittel beim Entwurf des verfahrenstechnischen Prozesses
dienen dem Informationsaustausch zwischen den an der Planung, Montage, IBS, Betrieb und Instandhaltung beteiligten Arbeitsgruppen
Vereinfachung der fachübergreifenden Verständigung
verfahrenstechnische Fließbilder
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verfahrenstechnische Fließbilder
Grundfließbild
Verfahrensfließbild
Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild(Rohrleitungs- und Instrumentierungsfließbild)
• DIN EN ISO 10628: Regeln zur Erstellung der verfahrenstechnischen Fließbildarten unterschiedlichen Abstraktionsgrads (anzugebende Informationen, Symbole, Darstellungsvorgaben)
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• Beispiel: Wasserkreisläufe der verfahrenstech. Versuchsanlage (nicht normkonform)
Grundfließbild (block diagram)
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Grundfließbild (block diagram)
Projekt: Laboranlage - Batchprozess
Erstellt am: 02.11.2007
Bearb.: Falk Doherr
GRÖSSE FAX-NR. ZEICHN.NR. REV.
=TUD.H1.PFB001
MASSSTAB 1:1 BLATT 1 VON 1
Reaktion 1
Reaktion 2
Mischen Abfüllen
Spülen
Eingangsstoff 1Eingangsstoff 2Eingangsstoff 3
Eingangsstoff 1Eingangsstoff 2Eingangsstoff 3
Ausgangsstoff 1Ausgangsstoff 2
Frischwasser Schmutzwasser
Reaktion 3
• Beispiel:Laboranlage - Rezeptsteuerung
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• Beispiel: DIN EN ISO 10628 B.2
Grundfließbild (block diagram)
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• Konkretisierung der chemischen und physikalischen Zusammenhänge (Elementarfunktionen) und Überführung dieser auf wesentliche apparatetechnische Objekte (Behälter, Pumpen, Wärmetauscher, Mischer,…) Detaillierte Darstellung der apparatetechnischen Realisierung
des Verfahrens (Prozesses) mit allen wesentlichen Informationen• DIN EN ISO 10628: „… Darstellung eines Verfahrens oder einer
verfahrenstechnischen Anlage mit Hilfe von graphischen Symbolen, die durch Linien verbunden sind.“
• Darstellungsmittel: graphische Symbole Anlagenteile Linien Fließlinien für Stoffe und Energien bzw. Energieträger
Verfahrensfließbild (process flow diagram)
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• Beispiel: Projekt der Verfahrenstechniker der TUD (TUD, Prof. Mollekopf) (Absorption saurer Gase aus Gasgemischen)
Verfahrensfließbild (process flow diagram)
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• Beispiel: DIN EN ISO 10628 Bild B.4 (Zusatzinform.)Verfahrensfließbild (process flow diagram)
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• detaillierte Darstellung der konkreten technischen Realisierung eines Verfahrens bzw. einer verfahrenstechnischen Anlage mit Hilfe von graphischen Symbolen und Linien
technischer Prozess technisches System
(Verfahren, Funktion) (Geräte, Instrumentierung)
• Verdeutlichung aller geräte- und informationstechnischen Zusammenhänge, die für eine praktische Abwicklung notwendig sind
R&I-Fließbild (P&I Diagram)
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• eines der wichtigesten Planungsdokumente einer verfahrenstechnischen Anlage Informationssammler gewerkeübergreifendes Kommunikationsmittel
(Verfahrensentwicklung EMSR-Planung)• Darstellungsmittel:
graphische Symbole Anlagenteile, Rohrleitungen Meß-, Regel- und
Steuerfunktionen (DIN 19227-1) Linien Informationsflüsse zwischen Meß-, Regel- und
Steuerfunktionen und den Anlagenteilen und Rohrleitungen
R&I-Fließbild (P&I Diagram)
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• Beispiel: DIN EN ISO 10628 Bild B.6 (Zusatzinform.)R&I-Fließbild (P&I Diagram)
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• Beispiel:Teilanlage „Mischen“ des GZATR&I-Fließbild (P&I Diagram)
Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik
DIN 19227-1 (ersetzt durch DIN EN 62424) Grafische Symbole und Kennbuchstaben
für die Prozessleittechnik
Darstellung von Aufgaben
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• Zweck: Aufgabenbezogen Darstellung der PLT auf
R&I-Fließbild Beschränkung auf prozessbezogene EMSR-
Technik
• Anwendungsbereich: Verfahrenstechnische Anlagen (Chemie,
Kraftwerk, Nahrungsmittel, Wasser, …)
Anwendungsbereich DIN 19227-1
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• Darstellung der EMSR-Aufgabe (neu PCE-Aufgabe) durch EMSR-Stellen-Symbol: Rund bzw. Langrund („PLT-Ei“) Allgemein Prozessleitsystem Prozessrechner
• Kennzeichnung des Ausgabe- und Bedienortes Vor Ort - kein Querstrich Leitewarte - ein Querstrich Örtlicher Leitstand - Doppelquerstrich
Grafische Symbole
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1 EMSR-Stellen-Funktion(Kennbuchstaben!)
2.1 und 2.2EMSR-Stellen-Kennzeichung(Identifikation)
3.1 und 3.2weitere Kennzeichnungen (z.B. Ort, Stelle, etc.)
Textfelder am EMSR-SS
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• Messort wird durch Bezugslinie mit EMSR-SS verbunden (0.25 mm, durchgezogen)
• Messort kann durch Kreis (d=2mm) hervorgehoben werden
• Stellgerätefunktion kann durch zusätzlichen Kreis dargestellt werden
Darstellung von Messort und Stellgerätefunktion
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• Erfüllung einer Funktion durch Mehrfacherfassung mehrere EMSR-SS
• Mehrere Ausgabe- und Bedienorte mehrere EMSR-SS
Weitere Regeln für die Darstellung
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• Buchstabensequenz, eingeteilt in zwei Gruppen Gruppe 1: Erstbuchstabe und ggf. Ergänzungsbuchstabe Physikalische Größe
Gruppe 2: Folgebuchstaben Verarbeitung
Achtung: Kein Trennzeichen zwischen den Gruppen Gruppenzugehörigkeit muss aus Kontext erschlossen
werden Geht nur mit „Geheim“-Wissen über Konstruktion,
Beispiel Telefonnummern: 004935146339614, 03031472007,…
Kennbuchstaben
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• N – frei Verfügbar (Stellglied Motor)• X – frei Verfügbar• Y – frei Verfügbar (Stellglied Ventil)
Zusätzliche Erstbuchstabe• A – Analyse• B – Brennersteuerung• C – Frei Verwendbar• I – Strom• Z – Frei Verwendbar
Ergänzungsbuchstabe• D – Differenz• F – Verhältnis• J – Messstellenabfrage• Q – Integral, Summe
• Buchstaben, die der Kategorie Ergänzungsbuchstabe zugeordnet sind, dürfen nicht in Gruppe 2 –Folgebuchstaben verwendet werden
Erstbuchstabe (mit Änderungen nach DIN EN 62424)
• D – Dichte• E – Elektrische Größe (Spannung)• F – Durchfluss, Durchsatz• G – Amplitude, Stellung, Länge,
Dehnung, Abstand• H – Handeingabe, Handeingriff• K – Zeit• L – Stand• M – Feuchte• Q – Qualität, Stoffeigenschaft, Analyse• R – Strahlungsgröße• S – Geschwindigkeit, Drehzahl,
Frequenz• T – Temperatur• U – Zusammengesetzt (nicht benutzen)• V – Viskosität (Vibration)• W – Gewichtskraft, Masse
Gruppe 1 - Meßgröße
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• A – Alarm• C – Selbsttätige Regelung• E – Aufnehmerfunktion• H,+ – Oberer Grenzwert • I – Anzeige• L,- – Unterer Grenzwert• O – Sichtzeichen, Ja/Nein-Anzeige (ohne Störung)• R – Registrierung• S – Schaltung, Ablaufsteuerung, Verknüpfungssteuerung• T – Messumformer-Funktion• U – zusammengefasste Antriebsfunktionen• V – Stellgeräte-Funktion• Y – Rechenfunktion• Z- Noteingriff, Schutz durch Auslösung, Schutzeinrichtung,
sicherheitsrelevante Messung• K,M, - frei verfügbar
Gruppe 2 - Folgebuchstaben
12.07.2011 PRLT (c) Urbas 2008-2011 Folie 46
• Oberer (H,+) und unterer Grenzwert (L,-) werden den Folgebuchstaben A,O,S,Z einzeln oder gemeinsam nachgestellt
• H,+,K,- dürfen auch zur Kennzeichnung der Endstellungen offen/geschlossen bzw. Schaltzustände Ein/Aus verwendet werden
• Sensoren und Aktoren in Schutzeinrichtungen ohne Schaltfunktion sind durch Z in Klammern zu kennzeichnen
Grenzwerte und Schutzeinrichtungen
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• Einwirkung auf StreckeStellgeräte
12.07.2011 PRLT (c) Urbas 2008-2011 Folie 48
Beispiel
Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik
DIN 19227-2 Grafische Symbole und Kennbuchstaben
für die Prozessleittechnik
Darstellung von Einzelheiten
12.07.2011 PRLT (c) Urbas 2008-2011 Folie 50
• graphische Darstellung der gerätetechnischen Funktionen und Zusammenhänge, die zur Realisierung einer EMSR-Stelle notwendig sind
• sollen helfen die EMSR-Stelle (Loop) zu prüfen (Loop-Check), in Betrieb zu nehmen und zu warten
• Verdeutlichung der allg. Örtlichkeit der Elemente z.B.: Feld-, Rangier- und Leitebene
• vereinfachte Darstellung mit Sinnbildern DIN 19227-2
• unterschiedlichste Darstellungen (oben – unten/ links –rechts) siehe Vortrag Dr. Zgorzelski
(PLT)EMSR-Stellenplan
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(PLT)EMSR-Stellenplan
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Das CAE-System verwaltet u.a.:
− Klemmen des Verteilerkastens
− Anschlussklemmen des Messumformers
− Anschlussklemmen des Sensors
VKE23 X1: 19 20
(PLT)EMSR-Stellenplan
12.07.2011 PRLT (c) Urbas 2008-2011 Folie 53
Beispiel
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• DIN EN ISO 10628: Fließschemata für verfahrenstechnische Anlagen. Berlin: Beuth, 2001
• Früh, K.F. (Hrsg.) ; Maier, U. (Hrsg.): Handbuch der Prozessautomatisierung. München : Oldenbourg Industrieverlag, 2004
• Favre-Bulle, B.: Automatisierung komplexer Industrieprozesse. Wien : Springer-Verlag, 2004
Literatur