Aufgaben und Strukturen der Prozessleittechnik - I

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1 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik Aufgaben und Strukturen der Prozessleittechnik - I VL Prozessleittechnik 1 SS 2013 Professur für Prozessleittechnik

2 Übersicht Einordnung des Themengebiets Prozessführung, Prozessleittechnik, Prozessleitsystem Historische Entwicklung Automatisierungsstufen, Sichtbare Veränderungen Aufgaben der PLT Basisaufgaben Automation, Basisaufgaben Information Strukturen und Architekturen Anforderungen, Funktions- und Ebenenmodelle, Komponenten Urbas (c) PLT-1 Folie 2

3 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik Einordnung des Themengebiets

4 Prozessleittechnik (PLT) 1980: Arbeitstitel für die Zusammenführung von MSR und Elektrotechnik bei Bayer (Polke 1994), heute EMR Heute: Zusammenführung von Mess,- Steuer, und Regelungstechnik Signalorientiert Systemtheorie, Regelungsentwurf Informations- und Kommunikationstechnik Informationsorientiert Informatik, Entwurf von Rechnerkomponenten (Hard- und Software) Mensch-Maschine-Systemtechnik Prozessorientiert Human Factors, Entwurf von zuverlässigen Mensch und Maschine umfassenden Gesamtsystemen Urbas (c) PLT-1 Folie 4

5 Prozessführung Mittel und Methoden zur zielgerichteten Planung und Ausführung von Prozessführungsstrategien für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von technischen Prozessen. Wissensgebiet der Prozessführung technischer Prozess Automatisierungssystem Prozess- Automatisierung Prozessleittechnik Urbas (c) PLT-1 Folie 5

6 Arbeitsgebiete der Professur für PLT chemical/ physical process Quality related Systems (PCS) Safety related System (SIS) Integrated PCS Engineering Process Control Systems Engineering Human Factors Engineering Urbas (c) PLT-1 Folie 6

7 Lehrmodule Mikrorechentechnik Algorithmen, Datenstrukturen, Programmiersprachen Prozessleittechnik Aufgaben, Architekturen, Dienste, Methoden WPFS Wissensbasierte Prozessführungssysteme CAE-PA Integriertes Engineering von AT-Systemen MMS Mensch-Maschine- Systemtechnik Urbas (c) PLT-1 Folie 7

8 Prozessleittechnik Mittel und Verfahren die dem Steuern, Regeln und Sichern prozesstechnischer Anlagen durch Leiteinrichtungen dienen Wissensgebiet der Prozessführung technischer Prozess Automatisierungssystem Prozess- Automatisierung Prozessleittechnik Urbas (c) PLT-1 Folie 8

9 Leiten (DIN 19222V) Gesamtheit aller Maßnahmen, die einen im Sinne festgelegter Ziele erwünschten Ablauf eines Prozesses bewirken. Die Maßnahmen werden vorwiegend unter Mitwirkung des Menschen aufgrund der aus dem Prozess oder auch aus der Umgebung erhaltenen Daten mit Hilfe der Leiteinrichtung getroffen Urbas (c) PLT-1 Folie 9

10 PLT im Wandel Zielgröße: Hohe Wirtschaftlichkeit Funktionsintegration Hochverteilte vernetzte Systeme Einzug von Bürosoftware in die BuB-Ebene Multimodale Interaktion Zielgröße: Hohe Zuverlässigkeit Technische Zuverlässigkeit Sicherheit Anforderungsgerechtes, gewerkeübergreifendes Engineering (VT, PT, IT, PLT, MSR) Anforderungsgerechte Bedienung (Warte und übergeordnete Leitebenen) Urbas (c) PLT-1 Folie 10

11 Prozessrechentechnik Informationstechnischer Kern der Prozessleittechnik Methoden und Verfahren zur Konzipierung und Implementierung automatisierungstechnischer Funktionen auf verteilten digitalen Rechnern Mikrorechentechnik, Echtzeit-Systeme Signalübertragung Sensorik, Aktorik Urbas (c) PLT-1 Folie 11

12 Mensch-Maschine-Systemtechnik Vielfältige Schnittstellen und Interaktionen Organisation Prozess Engineering Organisation Operator Systemprozess-leittechnik: Prozess, Anlagentechnik PRT Leitwarte Systemgedanke Gestaltungsziel Zuverlässiges Mensch-Maschine-Systeme Engineering Urbas (c) PLT-1 Folie 12

13 Interdisziplinäres Vorgehen der Mensch- Maschine-Systemtechnik Ziel: interessante, motivierende und beanspruchungsgerechte Arbeitstätigkeit ermöglichen Aufgabenanalyse Frühe Festlegung von Arbeitsabläufen Parallel-iterative Abstimmung Technische Funktionen Personale Aufgaben Frühe Einbeziehung der Kunden Evaluation von Zwischenergebnissen Prototyping, Usability Prüfung Urbas (c) PLT-1 Folie 13

14 Themengebiete Prozessleittechnik VR,AR CAE Informationssysteme Visualisierung Informationstechnik Web-Technologien Agenten Architekturen Echtzeit Engineering Psychologie Automatisierungssystem SPS Unterstützungssysteme Human Factors Sicherheit Messtechnik Regelungstechnik Elektronik Technischer Prozess Anlagenbau Fertigungstechnik Verfahrenstechnik Physik Chemie Urbas (c) PLT-1 Folie 14

15 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik Historische Entwicklung der Prozessleittechnik

16 Historische Entwicklung 1940: 1. Automatisierungsstufe Mechanische, hydraulische und pneumatische Regler für einfache Regelungen, Ablesen der Messwerte in Messwarten 1950: 2. Automatisierungsstufe Elektrische und pneumatische Signalübertragung durch Messumformer und Regler, Binäre Logik durch Relais-Steuerungen 1960: 3. Automatisierungsstufe Zentralisierung von Bedienung und Beobachtung in Messwarten, Online- Ankopplung von Rechnern zur Protokollierung und Optimierung 1980: 4. Automatisierungsstufe Prozessleitung mit hochverfügbaren bildschirmgestützten und digitalen Prozessleitsystemen 2000: 5. Automatisierungsstufe Hochverteilte vernetzte Systeme mit intelligenten Systemen, SPS-basierte PLS, Standardisierung von Netzen und Protokollen Urbas (c) PLT-1 Folie 16

17 Feldleitstände - um 1950 (Diedrich o.j) Urbas (c) PLT-1 Folie 17

18 Zentrale Warte Mosaiktechnik (Diedrich o.j) Urbas (c) PLT-1 Folie 18

19 Prozessführung mit Bildschirmen (Diedrich o.j) Urbas (c) PLT-1 Folie 19

20 Verteilte Interaktion Urbas (c) PLT-1 Folie 20

21 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik Einführende Beispiele für typische PLT-Funktionen Regeln Überwachen und Sichern

22 DIN Durchflußregelung FRCZ+A Durchfluß (F) wird registriert (R) und mittels Stellgerätes V-1 geregelt (C) Bei Überschreitung eines Grenzwertes sind die Ventile V-1 und V2 zu schließen (Z+) und eine Meldung auszugeben (A+) V-2 V-1 Urbas (c) PLT-1 Folie 22

23 CSTR Verriegelung Dosierung in einem kontinuierlich betriebenem Rührkessel-reaktor (CSTR - Continually Stirred Tank Reactor). Beispiel: Exotherme Reaktion zweier Stoffe A und B A+B C + Energie Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit Temperatur (Arrhenius-Gleichung) Urbas (c) PLT-1 Folie 23

24 Rezept: A B FI FI H M Schalte Rührer ein Lege A vor Dosiere B zu Sobald T, dosiere A zu und ziehe Produkt ab LI Kalt Heiß TI TI A,B,C Urbas (c) PLT-1 Folie 24 TI

25 A B FI FI H M LI TI TI Kalt Heiß A,B,C Urbas (c) PLT-1 Folie 25 TI

26 Selbstbeschleunigende Reaktion A B FI FI H M LI TI TI Kalt Heiß A,B,C Urbas (c) PLT-1 Folie 26 TI

27 Lösungsansätze Verriegeln: Ventil B kann nicht aufgemacht werden WENN der Rührer nicht an ist UND Flüssigkeit im Behälter ist Automatisieren: Sobald der Level eine bestimmte Grenze überschritten hat, wird der Rührer eingeschaltet Das Ventil B schließt nach 4 Sekunden wenn der Rührer nicht angeschaltet ist. Konkrete Ausprägung von Kontext (Stoffe, Prozesse, Philosophie) abhängig Urbas (c) PLT-1 Folie 27

28 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik Aufgaben der Prozessleittechnik

29 Aufgaben der Prozessleittechnik Basisaufgaben Automation Messen und Wandeln von Prozessgrößen Steuern und Sichern durch Abarbeitung von Logikprogrammen Regeln zur Stabilisierung von Prozessgrößen Überwachen und Erkennen von (gefährlichen) Prozesszuständen Anzeigen: Darstellen von Prozessund Führungsgrößen Bedienen: Führende Eingriffe durch Bedienpersonal Basisaufgaben Information Archivieren: Bereitstellen von Information über lange Zeiträume Konfigurieren: Automatisches Erkennen und Einbinden von Sensoren und Aktoren Vermitteln: zwischen Unternehmensleitebene und Produktion Absichern: gegen unerlaubte aktive oder passive Zugriffe von innen oder außen Urbas (c) PLT-1 Folie 29

30 Literatur DIN EN Speicherprogrammierbare Steuerungen, Programmiersprachen DIN Graphische Symbole und Kennbuchstaben für die Prozessleittechnik DIN 19222V Leittechnik Begriffe Favre-Bulle, B.: Automatisierung komplexer Industrieprozesse. Wien : Springer-Verlag, 2004 Früh, K.F., Maier, U. (Hrsg.): Handbuch der Prozessautomatisierung. München : Oldenbourg Industrieverlag, 2004 Felleisen, M.: Prozessleittechnik für die Verfahrensindustrie. Oldenbourg Industrie Verlag Karnouskos, St., Colomboy, A.W., Jammesz, F., Delsing, J., and Bangemann, Th.: Towards an Architecture for Service-Oriented Process Monitoring and Control. In: Proceedings IECON 2010, S , doi: /iecon Kopec, H. and Maier, U.: Critical annotations on present distributed control systems. atp - Automatisierungstechnische Praxis, 47(3), 24 28, Polke, M.: Prozessleittechnik. Oldenbourg Industrie Verlag, 1992 Urbas, L.: Process Control Systems Engineering. Oldenbourg Industrieverlag, 2012 VDI/VDE 3699 Prozessführung mit Bildschirmen Urbas (c) PLT-1 Folie 30