Engineering Prozessleittechnik

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1 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik Engineering Prozessleittechnik VL Prozessleittechnik I (SS 2011) Professur für Prozessleittechnik Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas, Michael Obst, Falk Doherr

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 PRLT (c) Urbas Folie 2

3 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 PRLT (c) Urbas Folie 3

4 Arbeitsplätze für das Engineering PRLT (c) Urbas Folie 4

5 Arbeitsplätze für das Engineering PRLT (c) Urbas Folie 5

6 Warum CA-Systeme? Bewältigung der steigenden Effizienz-, Zeit- und Qualitätsanforderungen an die Unternehmen (Planungsingenieure) PRLT (c) Urbas Folie 6

7 Anforderungen an CA-Systeme technisches System 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 Der Mensch muss noch immer die maßgeblichen Arbeiten selber vollführen und sollte die letztendliche Verantwortung nicht an den Computer abgeben (können)! PRLT (c) Urbas Folie 7

8 Überblick - CA-Systeme (nach Lauber, R PRLT (c) Urbas u. Göhner, Folie 8 P. 1999)

9 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 PRLT (c) Urbas Folie 9 Lichtpistole

10 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 AutoCAD das rechnergestützte Konstruieren auch auf Heimrechner möglich PRLT (c) Urbas Folie 10

11 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 PRLT (c) Urbas Folie 11

12 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.) PRLT (c) Urbas Folie 12

13 Vergleich von CAE-Systemen für die Prozessautomatisierung (1/2) PRLT (c) Urbas Folie 13 (nach Rauprich u. a. (2002))

14 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 PRLT (c) Urbas Folie 15

15 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 PRLT (c) Urbas Folie 16

16 CAE-Systeme für die Fließbilderstellung Aufgabe: Erstellen von Fließbildern nach EN ISO (Grundfließbild, Verfahrensfließbild, Rohrleitung & Instrumentenfließbild (RI) Zielgruppe Verfahrenstechnik, MSR Werkzeuge: SmartPlant P&ID, Comos, weitere CAD-Systeme PRLT (c) Urbas Folie 17

17 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 PRLT (c) Urbas Folie 18

18 CAE-Systeme für die Aufstellung-, Apparate- und Rohrleitungsplanung Stahlbau Virtuelle Begehung PRLT (c) Urbas Folie 19 Rohrleitungen

19 CAE-Systeme für die Aufstellung-, Apparate- und Rohrleitungsplanung Rohrleitungsisometrie PRLT (c) Urbas Folie 20

20 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 PRLT (c) Urbas Folie 21

21 CAE-Systeme für die Instrumentierung (PLT- Software) Aufgabe: Planung und Entwicklung der Logik von MSR und PLT-Aufgaben (Steuerungs- und Regelungsprogrammentwurf) IEC , VDI/VDE 3696 Systemneutrale Programmierung Zielgruppe MSR, PLT z.b. logidoc, Comos PRLT (c) Urbas Folie 22

22 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik Planungsdokumente für die Prozessautomatisierung

23 Planungsdokumente Planungsdokumente graphisch - nicht graphisch Verfahrenstechnische Fließbilder, Stromlaufpläne, Netzpläne, PLT-Stellenplan, Funktionspläne, Gebäude- und Lagepläne, Anschlusspläne, Aufstellungspläne, Datenblätter, Listen, PLT-Stellenblätter, Beschreibungen,Gutachten, Geräteanforderungen, gewerkeübergreifend gewerkespezifisch intern (Planung) extern (Beschaffung, Hersteller) unternehmensspezifische Dokumente PRLT (c) Urbas Folie 24

24 verfahrenstechnische Fließbilder 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 PRLT (c) Urbas Folie 25

25 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) PRLT (c) Urbas Folie 26

26 Grundfließbild (block diagram) Beispiel: Wasserkreisläufe der verfahrenstech. Versuchsanlage (nicht normkonform) PRLT (c) Urbas Folie 27

27 Grundfließbild (block diagram) Beispiel:Laboranlage - Rezeptsteuerung Eingangsstoff 1 Eingangsstoff 2 Eingangsstoff 3 Reaktion 1 Eingangsstoff 1 Eingangsstoff 2 Eingangsstoff 3 Reaktion 2 Mischen Reaktion 3 Abfüllen Ausgangsstoff 1 Ausgangsstoff 2 Frischwasser Spülen Schmutzwasser Projekt: Laboranlage - Batchprozess Erstellt am: Bearb.: Falk Doherr GRÖSSE FAX-NR. ZEICHN.NR. REV. =TUD.H1.PFB001 MASSSTAB 1:1 BLATT 1 VON PRLT (c) Urbas Folie 28

28 Grundfließbild (block diagram) Beispiel: DIN EN ISO B PRLT (c) Urbas Folie 29

29 Verfahrensfließbild (process flow diagram) 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 PRLT (c) Urbas Folie 30

30 Verfahrensfließbild (process flow diagram) Beispiel: Projekt der Verfahrenstechniker der TUD (TUD, Prof. Mollekopf) (Absorption saurer Gase aus Gasgemischen) PRLT (c) Urbas Folie 31

31 Verfahrensfließbild (process flow diagram) Beispiel: DIN EN ISO Bild B.4 (Zusatzinform.) PRLT (c) Urbas Folie 32

32 R&I-Fließbild (P&I Diagram) 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 PRLT (c) Urbas Folie 33

33 R&I-Fließbild (P&I Diagram) eines der wichtigesten Planungsdokumente einer verfahrenstechnischen Anlage Informationssammler gewerkeübergreifendes Kommunikationsmittel (Verfahrensentwicklung EMSR-Planung) Darstellungsmittel: graphische Symbole Anlagenteile, Rohrleitungen Meß-, Regel- und Steuerfunktionen (DIN ) Linien Informationsflüsse zwischen Meß-, Regel- und Steuerfunktionen und den Anlagenteilen und Rohrleitungen PRLT (c) Urbas Folie 34

34 R&I-Fließbild (P&I Diagram) Beispiel: DIN EN ISO Bild B.6 (Zusatzinform.) PRLT (c) Urbas Folie 35

35 R&I-Fließbild (P&I Diagram) Beispiel:Teilanlage Mischen des GZAT PRLT (c) Urbas Folie 36

36 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik DIN (ersetzt durch DIN EN 62424) Grafische Symbole und Kennbuchstaben für die Prozessleittechnik Darstellung von Aufgaben

37 Anwendungsbereich DIN Zweck: Aufgabenbezogen Darstellung der PLT auf R&I-Fließbild Beschränkung auf prozessbezogene EMSR- Technik Anwendungsbereich: Verfahrenstechnische Anlagen (Chemie, Kraftwerk, Nahrungsmittel, Wasser, ) PRLT (c) Urbas Folie 38

38 Grafische Symbole 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 PRLT (c) Urbas Folie 39

39 Textfelder am EMSR-SS 1 EMSR-Stellen-Funktion (Kennbuchstaben!) 2.1 und 2.2 EMSR-Stellen- Kennzeichung (Identifikation) 3.1 und 3.2 weitere Kennzeichnungen (z.b. Ort, Stelle, etc.) PRLT (c) Urbas Folie 40

40 Darstellung von Messort und Stellgerätefunktion 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 PRLT (c) Urbas Folie 41

41 Weitere Regeln für die Darstellung Erfüllung einer Funktion durch Mehrfacherfassung mehrere EMSR-SS Mehrere Ausgabe- und Bedienorte mehrere EMSR-SS PRLT (c) Urbas Folie 42

42 Kennbuchstaben 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: , , PRLT (c) Urbas Folie 43

43 Gruppe 1 - Meßgröße 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 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 PRLT (c) Urbas Folie 44

44 Gruppe 2 - Folgebuchstaben 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 PRLT (c) Urbas Folie 45

45 Grenzwerte und Schutzeinrichtungen 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 PRLT (c) Urbas Folie 46

46 Stellgeräte Einwirkung auf Strecke PRLT (c) Urbas Folie 47

47 Beispiel PRLT (c) Urbas Folie 48

48 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik DIN Grafische Symbole und Kennbuchstaben für die Prozessleittechnik Darstellung von Einzelheiten

49 (PLT)EMSR-Stellenplan 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 unterschiedlichste Darstellungen (oben unten/ links rechts) siehe Vortrag Dr. Zgorzelski PRLT (c) Urbas Folie 50

50 (PLT)EMSR-Stellenplan PRLT (c) Urbas Folie 51

51 (PLT)EMSR-Stellenplan VKE23 X1: Das CAE-System verwaltet u.a.: Klemmen des Verteilerkastens Anschlussklemmen des Messumformers Anschlussklemmen des Sensors PRLT (c) Urbas Folie 52

52 Beispiel PRLT (c) Urbas Folie 53

53 PRLT (c) Urbas Folie 54

54 Literatur 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, PRLT (c) Urbas Folie 55