Teil I Grundlagen der Automatisierungstechnik

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1 Teil I Grundlagen der Automatisierungstechnik Peter-Wolfgang Gräber Automatisierungstechnik in der Wasserwirtschaft

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3 Kapitel 1 Einführung Peter-Wolfgang Gräber Automatisierungstechnik in der Wasserwirtschaft

4 1.1 Ziele der Automatisierung Die Automatisierungsziele in wasserwirtschaftlichen/ -technischen Anlagen werden vor allem durch folgende Punkte geprägt: - Die Automatisierung wird eingesetzt, weil die Überwachung und Steuerung des Prozesses für den Menschen zu schwierig ist. Solche Anwendungen ergeben sich z.b., wenn der Prozess zu kompliziert, zu schnell, unzugänglich oder räumlich weit dezentralisiert ist. - Durch die Automatisierung lassen sich bessere wirtschaftliche Ergebnisse als durch manuelle Steuerung erzielen. Dies äussert sich in der Qualitäts- und Quantitätssteigerung der Erzeugnisse, in einer Einsparung von Zeit, Energie, Material und Arbeitskräften, Erhöhung der Flexibilität und besseren Auslastung der Geräte und Anlagen. In diese Zielkatogorie gehören auch die Verringerung von Umweltbelastungen und die Verbesserung von sozialen Aspekten. - Mittels Automatisierungsanlagen können die subjektiven Unzulänglichkeiten des Menschen, wie z.b. Fehlhandlungen, Überbeanspruchung, ungenaues Reagieren (Konstanz) vermindert werden. Es wird eine Erhöhung der Zuverlässigkeit, der Sicherheit und der Lebensdauer der Anlagen erreicht. - Die Automatisierung ermöglicht eine Verbesserung der Arbeits- und Lebensbedingungen des Menschen, indem er von geistig anspruchsloser, monotoner, anstrengender, gefährlicher oder gesundheitsschädigender Arbeit befreit wird. Beispiele im Bereich der Wasserwirtschaft/ -technik sind in den Abwasserbehandlungsanlagen, im Rohrnetzsystem, bei der Trinkwasseraufbereitung und Rohwasserförderung zu sehen. Dabei treten die angeführten Ziele meist kombiniert auf. Durch unterschiedliche Betrachtungsweisen und Wichtungen tritt das eine oder andere Ziel stärker in den Vordergrund. 1.2 Aufgaben der Automatisierung Aus den dargestellten Zielen der Automatisierung in der Wasserwirtschaft/ -technik ergeben sich spezifische Aufgaben, die nicht mehr vom Menschen ausgeführt werden sollen bzw. bei denen er durch entsprechende technische Hilfsmittel unterstützt wird. Die Aufgaben lassen sich wie folgt charakterisieren: Prozessüberwachung und -sicherung Automatisierungstechnik in der Wasserwirtschaft Peter-Wolfgang Gräber

5 1.2. AUFGABEN DER AUTOMATISIERUNG In diesem Fall soll der Mensch durch die Automatisierungsanlagen ständig über die aktuellen und wichtigsten, den prozesssensitiven, Zustandsgrößen des Prozesses informiert werden. Weiterhin ist es notwendig, dass die Automatisierungsanlagen gefährliche Extremsituationen des Prozesses alarmierend melden und Maßnahmen zur Abwendung eines größeren Schadens einleiten. Bei vollautomatisierten Prozessabläufen müssen solche Extremzustände verhindert werden. Dies wird realisiert durch - Anzeige, Visualisierung und Protokollierung der prozesssensitiven Zustandsgrößen, - Signalisierung der Grenzwertüberschreitungen und Störungen sowie - Notsteuerung nach Grenzwertüberschreitungen und Störungen. Prozessstabilisierung Bei der Prozessstabilisierung muss durch die Automatisierungstechniken die Einhaltung der geforderten Prozessgrößen garantiert werden. Solche Prozessgrößen können physikalischer, aber auch chemischer Natur sein. Insbesondere kann dies erreicht werden durch - Einstellung und Gewährleistung eines bestimmten Prozessregimes und - Beseitigung der Auswirkungen von Störungen. Prozessführung Bei der Prozessführung sind die technologisch vorgegebenen Prozessabläufe und Anlagenzustände im sachgebundenen oder zeitlichen Ablauf einzuhalten. Dies kann erfolgen durch - Führung eines entsprechend vorgegebenen Programms, - Führung nach messbaren Zustandsgrößen und - Nutzung von Wissens- und/oder Datenbanken. Prozessoptimierung Die Aufgabe der Prozessoptimierung besteht in der automatischen Ermittlung und Herbeiführung möglichst optimaler Arbeitspunkte und Betriebsregime von Anlagen, insbesondere durch 3

6 - Optimierung des stationären bzw. quasistationären Betriebes und - Optimierung von Übergangsvorgängen bzw. instationären Betrieb. 1.3 Automatisierungseinrichtungen Die Automatisierungstechnik ist stets als Hilfsmittel für die menschliche Arbeit zu betrachten. Sie dient dazu, die vom Menschen vorgedachten Strategien bei der Steuerung von Prozessen oder bei der Informationsgewinnung über die Zustandsgrößen in den Prozessen automatisch oder automatisiert zu realisieren. Die Automatisierungseinrichtung steht als Hilfsmittel zwischen dem Menschen und dem zu automatisierenden Prozess (siehe Abbildung 1.1). Der Mensch bedient sich dieser Hilfsmittel, um die Ziele der Automatisierung zu erreichen. Zwischen dem Prozess und der Automatisierungseinrichtung einerseits und zwischen der Automatisierungseinrichtung und dem Menschen andererseits befinden sich Koppelebenen. In diesen Koppelebenen sind besondere Anpassungen notwendig, damit ein problemloser Informationsaustausch realisiert werden kann. Die erste Koppelebene wird durch Einrichtungen zum Messen und Stellen und die zweite durch den Mensch-Maschine- Kontakt charakterisiert. Die Gesamteffektivität einer Automatisierungsanlage ist neben der Leistungsfähigkeit der Automatisierungseinrichtungen vor allem auch von der automatisierungsorientierten Gestaltung der zu automatisierenden Anlagen abhängig. Das bedeutet, dass bereits bei der Planung von Anlagen oder technologischen Prozessen eine spätere Automatisierung berücksichtig werden muss. In dieser Phase Versäumtes kann später kaum oder unter meist großem Aufwand wieder repariert werden. Abbildung 1.1: Stellung der Automatisierungseinrichtungen Automatisierungstechnik in der Wasserwirtschaft Peter-Wolfgang Gräber

7 1.3. AUTOMATISIERUNGSEINRICHTUNGEN Die Automatisierungseinrichtungen sind nicht unbedingt an die elektronischen/elektrischen Steuerungs- und Regelungs- sowie Messwertgewinnungs- und Messwertverarbeitungssysteme gebunden. Neben den elektrischen Funktionseinheiten gibt es noch die pneumatischen und die hydraulischen. Letzt genannte besitzen neben den elektrischen Automatisierungsmitteln auch ihr Anwendungsfeld, welches sich aus der Tradition und vor allem aus den vorteilhaften Eigenschaften für verschiedene Anwendungen ergibt Pneumatische Steuerung Die Vorteile der pneumatischen Steuerung sind in der - Betriebssicherheit, Unempfindlichkeit gegenüber rauhen Umweltbedingungen, Störsicherheit gegen elektrische und magnetische Felder und Störstrahlungen und - Explosionssicherheit, Speicherfähigkeit der Steuerung bei Hilfsenergieausfall, Überlastsicherheit, Gefahrlosigkeit, Einfachheit und Überschaubarkeit der Geräte zu sehen. Demgegenüber werden die Einsatzmöglichkeiten von pneumatischen Steuerungssystemen dadurch begrenzt, dass - die Verarbeitung, Verdichtung, Speicherung und Übertragung größerer Informationsmengen aufwendig oder nicht möglich sind und - die Geschwindigkeit der Signalübertragung und Informationsverarbeitung gering ist. Auf Grund vieler bewährter Lösungen und der Vorteile gegenüber anderer Automatisierungseinrichtungen behält die Pneumatik ihre Bedeutung und wächst in der Anwendungsbreite Hydraulische Steuerung In der Automatisierungstechnik spielen auch die hydraulischen Antriebe eine große Rolle. Dabei werden besonders die hydrostatischen Antriebe, bei denen die statische Druckenergie wesentlich größer als die kinetische Energie des zu steuernden Fluids ist, bevorzugt angewendet. Hydraulische Antriebe zeichnen sich durch folgende Vorteile gegenüber anderen Hilfsener- 5

8 KAPITEL 1. EINFÜHRUNG gieanwendungen aus: - einfache Realisierung translatorischer Bewegung mit höchsten Stellkräften, - große Antriebsmomente von Hydromotoren bei kleinen Abmessungen, - geringe zu bewegende Eigenmasse und damit kleine Zeitkonstanten bei Steuerungen (gegenüber Elektromotoren bis zum Faktor 10 3 kleiner), - einfache Möglichkeit der stufenlosen Geschwindigkeitsstellung (Bereich drei Zehnerpotenzen), - große Leistungsverstärkung (Faktor 10 3 ), - einfache Sicherung gegenüber Überlastung und - hohe Funktionssicherheit bei extremen Betriebsbedingungen und bei geringem Wartungsaufwand. Die Vorteile der hydraulischen Antriebe führen insbesondere beim Einsatz in der Stelltechnik zu günstigen Lösungen (z.b. Steuerung von Schiebern). Den Vorteilen stehen folgende Nachteile gegenüber, die den Einsatz beschränken können: - Es ist eine zusätzliche Hilfsenergiequelle notwendig. - Die Leistungsverluste durch mehrfache Energiewandlung und -übertragung können sehr hoch sein. - Äußere Leckverluste können zur Verschmutzung der Umgebung führen. - Höchste Präzision der Baugruppen führt zu hohen Herstellungskosten. Für weitergehende Ausführungen ist die entsprechende Spezialliteratur auszuwerten (z.b. TÖPFER/KRIESEL: Funktionseinheiten der Automatisierungstechnik). Die Ausführungen in den folgenden Abschnitten gelten, soweit es sich um allgemeine automatisierungstechnische Aussagen handelt, unabhängig von der Realisierungsart (elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch). Die Hervorhebung der elektrischen Mess- und Informationsverarbeitungstechnik in dem vorliegenden Lehrmaterial resultiert aus der besonderen Bedeutung und der komplizierten Funktionsweise dieser Technik. 6