CAE-PA Computer Aided Engineering in der ...Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik SS 2012, 03.04.2012 . Dipl.-Ing. F. Doherr . CAE-PA

Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

SS 2012, 03.04.2012 Dipl.-Ing. F. Doherr

CAE-PA Computer Aided Engineering in der Prozessautomatisierung

Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 2

Organisatorisches

• Beteiligte Mitarbeiter der Professur für Prozessleittechnik Prof. Dr.-Ing. L. Urbas

Email: [email protected] Sprechstunde Dienstag, 3.DS, BAR/E24

Dipl.-Ing. Falk Doherr Email: [email protected]

Dipl.-Ing. Michael Obst Email: [email protected]

Dipl.-Ing. Markus Stöß Email: [email protected]

mailto:[email protected]�





Ziele

- Engineering für die Prozessautomatisierung (PA)

- Vorgehen, planen, durchführen

- auslegen, spezifizieren (instrumentieren), simulieren

- Einsatz von CAE-Mittel für die PA

- verstehen, bewerten, auswählen

- anpassen, administrieren

Ope

rato

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Engineering

Organisation

Proz

ess

Echtzeit-Programmierung,µ-Rechnertechnik, Sensorik, Aktorik,

Signalübertragung,Sicherheit- &

Verlässlichkeit


Inhalte

- Arten von PLT-Engineering-Projekten - Vorgehensmodelle, Projektphasen,

Schnittstellen zu anderen Gewerken - Kennzeichnungssysteme, Planungsdokumente - Informations- und Datenmodellierung - Datenintegration und Typicalkonzepte - PLT-Engineering, Instrumentierung - Anwendung von Werkzeugen


Ablauf

Vorlesung Frontalunterricht (Doherr, Obst, Stöß)

Einführung, Grundlagen, Methoden Forschungsansätze

Industriereferat(e) Anwendung in der Industrie

Praktikum (Übung) Vorlesungsvertiefenden Projektarbeit:

Durchführung eines „kleinen“ Engineeringprojektes mit dem CAE-Werkzeug Comos in Gruppenarbeit

Engineering einer Versuchsanlage

Beginn: 03.04., 6.DS, IfA-Pool (BAR/E35)


Terminplanung - Vorlesung

Termin Nr Thema 03.04 1 Einführung, PLT-Projekte, Vorgehensmodelle

10.04 2 Verfahrenstechnische Planung I – Prozessschritte Planungsdokumente (R&I-Fließbild)

17.04 3 Verfahrenstechnische Planung II - EMSR-Anforderungen 24.04 Exkursion - Hannover Messe 01.05 Maifeiertag 08.05 4 Gewerke, Sichten, Kennzeichnungssysteme, CA-Systeme 15.05 5 prozessleittechnische Planung I, Instrumentierung 1 (Auslegung) 22.05 6 prozessleittechnische Planung II, Kommunikation 29.05 Pfingsten – VDE/IfA Exkursion 05.06 7 prozessleittechnische Planung III, Funktionsplanung 12.06 8 Datenintegration (Engineeringdaten im Lebenszyklus, CAEX, ….) 19.06 9 Forschungsthemen: CBR im Engineering 26.06 10 Forschungsthemen: Automatisierung der Automatisierung 03.07 11 Industrievortrag - Engineering aus Sicht eines Anlagenbauers 10.07 12/1 Einsatz von Planungsdaten für Inbetriebnahme & Instandhaltung 10.07 12/2 Prüfungsvorbereitung, Feedback

• Mögliche Bewertungen • 4 SWS (Vorlesung und Praktikum)

• 2 SWS (nur Vorlesung)


Notenfindung

Praktikum21eKlausurnot

21

×+×=Endnote

Mündl. Prüfung / Klausur (wenn mehr als 20 TN) Kenntnis- und Fertigkeitsnachweis Gefestigtes Fachwissen Anwendung und Transfer von Methoden

Vorlesungsbegleitende Leistungen Projektarbeit (Bericht) Angemessen; Vollständig; Nachvollziehbar; Verständlich;

Alle Notenteile müssen bestanden werden!

eKlausurnot=Endnote

Hannover-Messe


Studenten-Exkursion zur Hannover-Messe 2012

Termin: Dienstag, 24.04.2012

Abfahrt: ???? 6.00 Uhr, Bayrische Straße (Hauptbahnhof)

Reise: Reisebus mit Frühstück und Abendessen

Vor-Ort: Führung über den Siemens Messestand

Teilnehmerpreis: nix

Anmeldung: bis 10.04.2012 (max. 19 Teilnehmer + Wartelisteplätze)

bei Frau Kindermann (BAR/E23)

Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

CAE in der Prozessautomatisierung Engineering, Vorgehensmodelle, Gewerke

SS 2012, 03.04.2012 Dipl.-Ing. F. Doherr


Engineering

Funktionen (z.B. Verflüssigung von O2)

technisches Produkt

technisches Anlage Vorgehensweisen

(z.B. NAMUR NA35, PAS 1059)

Gerätemittel Engineeringprozess (-projekt)

Richlinien, Vorschriften Entwurf und Entwicklung

eines Projektes vom ersten Ansatz bis zur

abschließenden Umsetzung


Engineering

• der Begriff Engineering umfasst all die ingenieurtechnischen Aufgaben und Tätigkeiten, die während

Konzeption

Planung

Montage (Errichtung)

Inbetriebnahme

Betrieb

Außerbetriebnahme (Demontage, Abriss)

einer technischen Anlage ausgeführt werden

• der im Deutschen oft verwendete Begriff „(Anlagen)Projektierung“ kann nicht als strenge Übersetzung für „Engineering“ herangezogen werden, da die Tätigkeiten während des Betriebes (Konfiguration, Parametrisierung, Instandhaltungsplanung) nicht berücksichtigt werden


Engineering

Neuaufbau einer Anlage Anforderungen:

Verwendung von neuen Technologien, Methoden und Gerätschaften in allen Bereichen

Umsetzung von neuen Richtlinien (Bestimmungen) und Normen


Engineering

Ertüchtigung und Erweiterung einer Anlage

Anforderungen: Analyse und Beseitigung von Schwachstellen Integration von neuen Geräten und Systemen in eine alte Infrastruktur

(Migration) Reengineering der vorhandenen Strukturen (Aufwand hängt

entscheidend von Qualität und Aktualität der bestehenden Dokumentation ab)


Projekte

Projekt: Vorhaben zur Lösung von vordefinierten Zielen und Aufgaben, das im wesentlichen durch Einmaligkeit der Bedingungen in ihrer Gesamtheit gekennzeichnet ist, wie z.B. Zielvorgaben

Zeitliche, finanzielle, personelle oder andere Begrenzungen

Abgrenzung gegenüber anderen Vorhaben

projektspezifische Organisation

Projektmanagement:

Gesamtheit von Führungsaufgaben, -organisation, -techniken und -mittel für die effiziente Abwicklung eines Projektes

Projektwirtschaft:

Gesamtheit aller Einrichtungen und Maßnahmen, die dazu dienen, das Projekt zu realisieren

(DIN 69901)


Projekte

zeitliche Realisierung von Projekten (nach Lauber, R. u. Göhner, P. 1999)

Projektlaufzeit

t

Vorbereitungszeit Betriebszeit

Wartungs- und Pflegearbeiten

Projekt- durchführung

Vorarbeiten zur Projektvorbereitung

Durchführungs- entscheidung

Abnahme des Systems

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CAE@PA Folie 16

Projekte

Zusammenhang Projektdauer / Gewinn

Projektlaufzeit

t

Vorbereitungszeit Betriebszeit

Abnahme des Systems

Inte

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Break Even

CAE@PA Folie 17

∆ tBE

∆ tIBS

Projekte Zusammenhang Projektdauer /

wirtschaftlicher Erfolg

Projekt- laufzeit

t

Vorbereitungs- zeit

Betriebs- zeit

Frühere Abnahme des Systems

Inte

gral

€

Früherer Break Even

∆ €


Gewerke

• Marketing + Anwendungsforschung Kundenwünsche, Prognose, Potentialanalyse Idee

• Verfahrenstechnik, Chemie, Fertigungstechnik, (Regelungstechnik), Labor Machbarkeit, Prozessschritte Anforderungen, Randbedingungen, technischer Prozess

• Planungsabteilungen: Verfahrenstechnik (Betriebstechnik), Apparatebau, Stahlbau,

Rohrleitungsbau, Infrastruktur, Gebäudetechnik, Auslegungsplanung, Hydraulik, Pneumatik, Mechatronik, Antriebs- und Elektrotechnik (>230VAC), Umwelttechnik, Sicherheitstechnik, Arbeitsschutz, Werksschutz, Logistik IBS, Logistik Lager

Prozessleittechnik (Elektro <24VDC, Messen, Steuern, Regeln) + Informationstechnik (Netzwerke, Informationssysteme)

(Bestellwesen, IBS, Personalauswahl, Schulung & Training, …)


Projekte

Organisationsformen von Projekten Linienorganisation

• Nutzung der Linienstruktur der Abteilungen eines Unternehmens • Einsatz bei kleinen und überschaubaren Projekten (meist nur abteilungsspezifische Projekte) • Projektleitung durch Abteilungsleiter oder Gruppenleiter einer Abteilung

Unternehmensleitung

Abteilung 1 Abteilung 2 Abteilung x

Projektkoordinator

Projektteam Projektteam Projektteam


Projekte

Organisationsformen von Projekten Task-Force-Organisation

• Schaffung von eigenständigen Projektabteilungen, denen Mitarbeiter von Fachabteilungen zu 100% zugeordnet werden • Einsatz bei umfangreichen und langlaufenden Projekten • (Teil) Projektleitung durch Projektleiter bzw. Teilprojektleiter

Unternehmensleitung

Projektabteilung 1 Projektabteilung y Fachabteilung x

Projektleiter

Teilprojekt A Teilprojekt B

Teilprojekt- leiter

Teilprojekt- leiter

Projektleiter

Projektteam

Teilprojektteam Teilprojektteam


Projekte

Organisationsformen von Projekten Matrixorganisation

• eine für ein konkretes Projekt verantwortliche Projektleitung teilt an Abteilungsmitarbeiter Projektaufträge funktionelle Unterstellung

• die Mitarbeiter bleiben allerdings in ihre Fachabteilungen integriert strukturelle Unterstellung

• Disziplinarische Linienstruktur wird beibehalten

Unternehmensleitung

Abteilung 1 Abteilung 2 Abteilung x

Projektleitung Projekt I

Projektleitung Projekt II

Projektleitung Projekt X


Was sind Vorgehensmodelle?

„Zielgerichtetes Handeln setzt stets eine Vorstellung vom Objekt der Handlung und vom Weg einer Aufgabenstellung zu einem funktionierenden System voraus“ (Ahrens,W.; Scheurlen,H.J.; Spohr,G.-U. (1997))

funktionierendes System: • technische

Anlage • Software • Produkt • …

Idee: • technische

Anlage • Software • Produkt • …



• präskriptive Modelle, welche die Arbeitsabläufe bei der Ausführung von Handlungsprozessen beschreiben

• sie definieren:

Projekttätigkeiten und ihre Abfolge (Phasen), Abhängigkeiten und Ergebnisse ((Teil-)Produkte, Meilensteine)

die Standards, Richtlinien und Normen nach denen gearbeitet wird

die Werkzeuge, Hilfsmittel und Methoden mit denen die einzelnen Tätigkeiten durchgeführt werden

die Verantwortlichkeiten während eines Projektes

die Befugnisse, Kompetenzen und Qualifikationen der Projektbeteiligten



Realität Modellwelt

(nach Lauber, R. u. Göhner, P. 1999)

Abstraktion, Verallgemeinerung

Vorstellungen und Kenntnisse über den zweckmäßigen und

systematischen Projektablauf aus den Erfahrungen von

vergangenen Projekten

Ansatz für ein generell gültiges Vorgehensmodell

Der Ausbau und die detailliertere Ausarbeitung des

Modellansatzes durch Angabe der Tätigkeiten und der

anzuwendenden Methoden, Werkzeuge und Richtlinien

führen zum Vorgehensmodell.

Konkretion, Verwirklichung

Umsetzung der im Vorgehensmodell enthaltenen

Tätigkeiten bei der Durchführung von realen Projekten


Vorgehensmodelle - Ziele

• die zu bewältigende Aufgabe und der Lösungsweg sollen verdeutlicht werden (Leitlinie für die Handlungen der Projektbeteiligten)

• bessere Beherrschung der Größe und Komplexität eines Vorhabens (Überblick)

• Steigerung der Qualität und der Wirtschaftlichkeit der Projektarbeit

• Erhöhung der Qualität der Kommunikation der Projektbeteiligten untereinander (intern) und nach außen (”Man redet nicht aneinander vorbei.“)

• Realisierung von personenunabhängigen Vorgehensweisen

• Fehler sollen besser identifiziert werden (Verhinderung der Fortpflanzen und Potenzierung in Folgephasen)

• Schnellere Anpassung der benötigte Kapazitäten (manpower) und Ressourcen im Laufe des Projektes


V.modelle - Anforderungen

• praktikabel: die Handlungsdirektiven sollten unter den realen

Bedingungen (Zeit, zur Verfügung stehende

Hilfsmittel, …) umgesetzt werden können

• revisionsfähig: die durchzuführenden Tätigkeiten sollten überprüft

werden können (Qualitätssicherungstätigkeiten)

• unterstützend: ein Vorgehensmodell soll einem Projektmitarbeiter

helfen seine Aufgaben zu lösen und ihm nicht

seiner eigenen Kreativität berauben (sollte nicht

als Zwang empfunden werden)


Vorgehensmodelle

Beispiele für Vorgehensmodelle: • Informatik (Softwareentwicklung)

Wasserfallmodell V-Modell 97 / V-Modell XT (XT = Extreme Tailoring) Spiralmodell Prototyping Model Driven Architecture (MDA ) Extreme Programming (XP) …

• Anlagenplanung NAMUR-Arbeitsblatt 35 (Abwicklung von PLT-Projekten) PAS 1059 (Planung einer verfahrenstechnischen Anlage -

Vorgehensmodell und Terminologie) Process Plant Engineering Activity Modell (PPEAM)


Vorgehensmodell der NAMUR

NAMUR • Normenarbeitsgemeinschaft für Meß- und Regelungstechnik

in der chemischen Industrie • internationale Interessengemeinschaft für die

Automatisierungstechnik in der Prozessindustrie (Gemeinschaft von Anwendern)

• Arbeitsgebiete: Prozessleittechnik Steuerungstechnik Messtechnik Betriebsführungstechnik Elektrotechnik Prozessanalysentechnik

• erstellen aus Erfahrungen gewonnene Hilfsmittel, Empfehlungen und Anforderungen in einer strukturierten Form bereit (keine Normen oder Richtlinien)



• ist im NAMUR Arbeitsblatt NA 35 enthalten • zielt in erster Linie auf die Durchführung der leittechnischen

Projektierung für verfahrenstechnische Anlagen ab • wurde vom NAMUR-Arbeitskreis 1.1 ”Planungsmethodik“ erstmals

1993 veröffentlicht und wird seitdem angepasst • Intention hinter dem Modell: ”WAS ist WIE und WANN zu tun, um die Planung eines PLT-

Projektes effizient und effektiv durchführen zu können. “ • gliedert sich in die drei Hauptbereiche Projektierung, Qualitäts- und

Projektmanagement • in den Hauptbereichen werden hierarchisch strukturierte

Tätigkeiten beschrieben und ihnen Hilfsmittel und anzuwendende Methoden zugeordnet

• Hilfsmittel: CAE-Systeme, Gerätekatalog, Normen, Herstellerunterlagen, …

• Methoden: Analysieren, Synthetisieren, Berechnen, Standards anwenden, Standardisiertes Gespräch, Brainstorming, …



Phasenmodell des Hauptbereiches „Projektierung“



Projektphasen des Hauptbereiches „Projektierung“ • Grundlagenermittlung die durchführbare Anlage

auf Grundlage des Auftrages und der Verfahrensplanung werden die Ziele des PLT-Projektes erarbeitet (Groblastenheft)

Schätzung der Grobkosten mit Genauigkeit von ± 30 %

• Vorplanung die genehmigungsfähige Anlage Festlegung auf ein Anlagenkonzept (endgültiges Lastenheft) Schätzung Kosten mit Genauigkeit von ± (10 – 20) %

• Basisplanung die ausschreibbare Anlage PLT- und Sicherheitsfunktionen werden genau spezifiziert und ihnen

gerätetechnische Realisierungen zugeordnet Festlegung der Struktur des Prozessleitsystems (PLS) und Erarbeitung

der PLS-Aufgaben Kalkulation der Kosten mit Genauigkeit von ± (5 – 10) %



Projektphasen des Hauptbereiches „Projektierung“ • Ausführungsplanung die errichtbare Anlage

Festlegung der konkreten Geräte (Mess- und Stelltechnik, zentrale Einrichtungen, Leitsystem)

Erstellung der detaillierten und vollständigen Unterlagen, die zum Beschaffen, Errichten, Betreiben und Instandhalten der Hardware sowie der Software für das PLS

• Errichtung die funktionsfähige Anlage während dieser Phase sind die Beschaffung abzuwickeln, die

Montage zu überwachen und Überprüfungen durchzuführen Erstellung und Konfiguration der PLT-Funktionen Aktualisierung der Dokumentation



Projektphasen des Hauptbereiches „Projektierung“ • Inbetriebsetzung die produktionsfähige Anlage

den Mitarbeitern des Anlagenbetreibers wird Hilfestellung beim Inbetriebsetzen gegeben und Funktionen und Parameter der Gerätschaften werden optimiert

Übergabe der nochmals aktualisierten Anlagendokumentation an den Anlagenbetreiber

• Projektabschluss die bewertete und abgerechnete Anlage in einem Abschlussbericht werden Projektbesonderheiten und

aufgetretenen Schwierigkeiten herausgestellt, um sie als Erfahrungsvorrat für spätere Projekte nutzen zu können

Erstellung einer Nachkalkulation


PPEAM

• das Process Plant Engineering Activity Modell (PPEAM) ist Grundlage für die Ansätze der PI-STEP-Initiative

• PI-STEP: Process Industries - Standard for the Exchange of Product Model Data

• Ziel ist eine durchgehende Produkt-Daten-Standardisierung

• PPEAM beschreibt die Tätigkeiten und den Datenaustausch in und zwischen allen Lebensphasen einer technischen Anlage und allen involvierten Arbeitsbereichen

• es findet eine grundsätzliche Aufteilung der Aufgabenbereiche zwischen dem Prozess- und dem Anlagenengineering statt

• zwischen den einzelnen Tätigkeiten kommt es zum Austausch von Anforderungen, Spezifikationen, Zertifikaten, Plänen, Protokollen, Kostenvoranschlägen, Materialien, Equipments u.a.


PPEAM


PAS 1059

• PAS - Publicly Available Specification - diese öffentlich verfügbaren Spezifikationen werden als Ergebnisse von Standardisierungen angesehen und ihre inhaltliche Verantwortung liegt jeweils bei dem verfassenden Arbeitskreis und nicht beim DIN e.V., welcher sie veröffentlicht

• beinhaltet alle Vorgänge, die während der Planungsphase zu bewerkstelligen sind

• zielt im Besonderen darauf hin, innerhalb eines Unternehmens und der immer häufiger bestehenden Unternehmensnetzwerke den Informationsaustausch zu optimieren und Unterschiede bei Begriffsdefinitionen von vornherein auszuschließen

• einzelnen Tätigkeiten werden mittels Vorgangsdiagrammen hierarchisch und chronologisch dargestellt

• jedem Diagramm ist jeweils eine Vorgangstabelle zugeordnet, um die Aktivitäten zu präzisieren und ihre Ergebnisse, wie bspw. Pläne, Bilanzen, Beschreibungen, Konzepte und Listen, anzugeben


PAS 1059

Haupt- und 1.ste Teilvorgänge



PAS 1059


Vergleich der Vorgehensmodelle

Ausdehnungsbereich über die Lebensphasen und Gewerke

• das PPEAM und das Vorgehensmodell der PAS 1059 beinhalten

Tätigkeiten für einen Großteil der beteiligten Gewerke • das Vorgehensmodell der NAMUR behandelt ausschließlich die

Aufgaben der Prozessleittechnik

Verfahrens-planung

Basis -planung

Detail -planung Montage Inbetrieb -

nahme Betrieb Außerbe-triebnahme

PAS 1059

PPEAM

NA 35


Vergleich der Vorgehensmodelle

Informationsfluss • sowohl im PPEAM als auch im Vorgehensmodell der NAMUR wird

deutlich, welche Daten und Dokumente zwischen den Aktivitäten und Tätigkeiten ausgetauscht werden müssen

• im Vorgehensmodell der PAS 1059 wird nicht klar welche Dokumente eine Tätigkeit von vorgelagerten Tätigkeiten benötigt

Periphere Aktivitäten • alle drei Modelle beinhalten parallel zu den Engineeringtätigkeiten

auch Projektmanagementaktivitäten

• das Qualitätsmanagement ist einzig im Modell nach NAMUR ein eigenständiges Hauptgebiet

Zusammenspiel VT-AT


VT Vorplanung

VT Detail Engineering

AT Basic Engineering

AT Detail Engineering

HAZOP ALARM HMI

Verfahrenstechnik

Automatisierungs- technik

Mensch-Maschine Systemtechnik

VT Basic Engineering

PLT Vorpl.

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