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WS 2013/14 Vorlesung: Prozessautomatisierungstechnik,· Prof. Dr.-Ing. Mohieddine Jelali 1

Mohieddine Jelali

Prozessautomatisierungstechnik


Mohieddine JELALI

*1969 Sidi Bouzid, Tunesien

19881993 Maschinenbaustudium, Uni Duisburg

19931997 Promotion Mess-, Steuer- und

Regelungstechnik, Uni Duisburg

19971999 Entwicklungsingenieur,

Mannesmann Demag (Metallurgie)

19992006 Projektleiter,

VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI)

20062009 Projekt-Gruppenleiter und

Stellv. Abteilungsleiter, System- und

Anlagentechnik, BFI

2009 2011 Abteilungsleiter,

Prozess- und Anlagenautomatisierung, BFI

Seit März 2011 Professor Regelungstechnik

und Mechatronik, FH Köln

2000 Lehrauftrag Regelungstechnik,

Uni Duisburg

20042009 Habilitation,

Uni Duisburg-Essen

2010 Lehrauftrag Regelungstechnik,

Fachhochschule Köln

2010 Lehrbefähigung/-befugnis

Automatisierungstechnik,

Uni Duisburg-Essen

Gremien: VDEh, VDI-GMA, DGM

Veröffentlichungen (Konferenzen, Fachzeitschriften, Bücher)

Und sonst: Familie, Joggen, Radfahren


Vorlesungs-/Übungstermine / Organisatorisches

Vorlesung/Übung:

Tag: Freitags 8.30 bis 12.00

Termine:

• 13.12.2013

• 10.01.2014

• 24.01.2014

• 31.01.2014

• 07.02.2014

Ort: MC 231

Klausur: schriftlich; 90min

Kontaktdaten:

Tel. 0221 / 8275 2384 oder 0173 / 3508346

[email protected]


Lernziele der Veranstaltung


Grundverständnis vom Aufgabenspektrum der Prozessautomatisierung

Hierarchische Strukturierung von Automatisierungsaufgaben/-mitteln n

Auswahl und Entwurf industrieller Regelsysteme und höherwertiger

Regelungen

Auswahl und Konfigurierung leittechnischer Mittel zur Lösung von

Automatisierungsaufgaben

Grundlegende Aspekte der Mensch-Maschine-Kommunikation

Grundvorstellungen von der Datenkommunikation in

Automatisierungssystemen

Vorgehensweise bei der Lösung komplexer Automatisierungsprojekte


Inhalt der Veranstaltung


Mohieddine Jelali


1. Einführung in die Prozessautomatisierung


Inhaltsangaben zu Kapitel 1

1.1 Grundbegriffe

1.2 Fachliche Teilgebiete der Automatisierungstechnik

1.3 Aufbau von Automatisierungssystemen

1.4 Automatisierungsgrad und Rechnereinsatzarten

1.5 Ziele der Automatisierung

1.6 Historische Entwicklung

1.7 Einsatzgebiete der Automatisierung

1.8 Ebenen-Modelle der Automatisierung

1.9 Funktionen und Aufgaben der Automatisierung

1.10 Graphische Darstellung in der Verfahrenstechnik

1.11 Beispiele für Prozessautomatisierungssysteme

1.12 Lösungsweg für Automatisierungsaufgaben

1.13 Auswirkungen der Automatisierung auf Menschen

1.14 Literaturempfehlungen


Prozess:

1.1 Grundbegriffe

„Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem System (einer Anlage), durch die Materie, Energie oder auch Information umgeformt, transportiert oder gespeichert wird.“ [DIN 19233]

Prozessautomatisierung = Prozess + Automatisierung

Technischer Prozess

in einem

technischen System

Material-, Energie- oder Informationsabfluss

Material-, Energie- oder Informationszufluss

Ergebnisgrößen (Messgrößen)

Einflussgrößen (Stellgrößen)

Beispiele:


1.1 Grundbegriffe

Prozesstyp Charakterisierung Beispiele

Fließprozess Kontinuierlicher Prozessablauf Energieerzeugung (Kraftwerke, Heizungsanlagen), Metallproduktion (Walzwerke), Gebäudeklimatisierung, Raffinerieproduktion

Folgeprozess, Chargenprozess, Batchprozess

Diskontinuierlicher (sequentieller) Prozessablauf (Schaltprozess)

An- und Abfahrprozesse, chemische Chargenproduktion, Prüfprozesse

Stück(gut)prozess Objektbezogene (diskontinuierliche) Vorgänge

Bearbeitung- und Montage von Maschinenteilen, Lagerprozesse

Einteilung von Prozesstypen nach Kontinuität des Prozessablaufs:

Hauptunterscheidung: Batchprozesse / Kontiprozesse

Aber: Eine klare Unterscheidung ist nicht immer möglich.

Prozessablauf: Zu- und Abfluss von Material, Energie oder Information


1.1 Grundbegriffe

Automatisierung =

Automation

Automatisation

…

Erfassung des Zustandes/Verlaufes von dynamischen Prozessen und deren gezielte Beeinflussung derart, dass sie vorgegebene Aufgaben und Funktionen selbsttätig erfüllen.

Automatisieren:

„Das Ausrüsten einer Einrichtung, so dass sie ganz oder teilweise ohne Mitwirkung des Menschen bestimmungsgemäß arbeitet.“ [DIN 19233]

Mechanisierung als Voraussetzung für die Automatisierung:

Schaffung und Nachbildung von technischen Mittel, mit deren Hilfe mechanisierte Operationen nach vorgegebenen Programmen autonom ablaufen.


Prozessindustrien:

1.1 Grundbegriffe

Prozessindustrien im engeren Sinn: chemische, pharmazeutische Industrie

und Petro-Industrie, Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie

Rohstoff-Industrien: Bergbau, Rohöl- und Erdgasgewinnung (jedoch ohne

Pipelines und ohne Exploration)n

Grundstoff-Industrien: Zellstoff, Papier, Pappe, Steine, Erden, Glas, Keramik,

Metalle (Eisen, Stahl, Nichteisenmetalle, von der Verhüttung bis zu Walzwerken)

Kraftwerke: Atom, Kohle, Dampf, Gas, GuD, inklusive dezentrale

Stromerzeugung und Standby-Anlagen

Umweltsektor: Trinkwasserversorgung, Kläranlagen, Müllverbrennung,

Abluftreinigung


Automatisierungssystem:

1.1 Grundbegriffe

Menschen (Personal) zur Leitung, Koordinierung und Bedienung des technischen

Systems

Rechner- und Kommunikationssystem

(Automatisierungseinrichtung)

Technisches System

(Produkt oder Anlage)

Sensoren Aktoren

Stellgrößen Messgrößen

Prozess- ergebnisse

Steuer- ziele


1.1 Grundbegriffe

Im Vordergrund: Automatisierung des technischen Prozesses

Zielvorstellung: Automatisierung der Vorgänge des technischen Systems mit

Hilfe von entsprechenden Informationsverarbeitungseinheiten

Mensch gibt nur noch Wünsche an das Betriebsergebnis vor.

Prozessautomatisierung:

Im Vordergrund: Bedienung

Zielvorstellung: Leitung des Ablaufs des technischen Prozesses durch den

Menschen, wobei er durch den automatisierten Ablauf einzelner Vorgänge

unterstützt wird.

Leiten: Steuern und Regeln

Prozessleittechnik:

Im Vordergrund: Rechner- und Kommunikationssystem

Zielvorstellung: Automatisierungssoftwaresystem

Echtzeitsystem

Prozessinformatik/Prozessdatenverarbeitung:


1.1 Grundbegriffe

Echtzeitsystem:

„Echtzeitbetrieb ist der Betrieb eines Rechnersystems, bei dem Programme zur Verarbeitung anfallender Daten ständig betriebsbereit sind, derart, dass die Verarbeitungsergebnisse innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verfügbar sind. Die Daten können je nach Anwendungsfall nach einer zufälligen, zeitlichen Verteilung oder zu bestimmten Zeitpunkten auftreten. “ [DIN 19233]

Hardware/Softwaresystem

Datenempfang, Datenverarbeitung, Weitergabe der Daten an den Prozess

innerhalb der definierten Zeitspanne (Abtastzeit)

Externe Ereignisse

Priorisierung der Bearbeitung

Eigenschaften eines Echtzeitsystems:

Rechtzeitigkeit: Reaktion zur richtigen Zeit

Gleichzeitigkeit: gleichzeitige Reaktion auf mehrere Dinge

Verlässlichkeit: Zuverlässigkeit, Sicherheit, Verfügbarkeit

Vorhersehbarkeit: Planbarkeit und Determiniertheit aller Reaktionen

Anforderungen an ein Echtzeitsystem:


Automatisierungstechnik/Prozessleittechnik

EMSR-Technik

MSR-Technik

1.2 Fachliche Teilgebiete der Automatisierungstechnik

Digitale Informations- technologie Elektro-

technik Mess- technik

Steuerungs- technik

Regelungs- technik

Aktor- technik

Spannungsversorgung, Schalter, Relais, Schütze, Sicherheitseinrichtungen

Messsensoren, Messwandler (Transmitter)

Steuerungsgeräte, logische Verknüpfungen, Programmabläufe

Regler als Gerät, Regler als Software, Reglerparameter

Stellorgane, Ventile, Frequenzumrichter, Schaltrelais

Elektronische Baugruppen, Hardwarekomponenten, Bedienungs- und Beobachtungs- software, Dokumentation und Auswertung


Informations- verarbeitung (Algorithmus)

Informations- erfassung

(Sensoren)

Technischer Prozess

Signale

Signale Physikal. Größen

Physikal. Größen

z.B. Druck Temperatur Geschwindigkeit

z.B. Position Kraft Drehmoment

Informations- Aufprägung (Aktoren)

Automatisierung als Informationskreislauf:



Komponenten eines

Prozessautomatisierungs-

systems

Automatisierungseinrichtung (Automatisierungssystem)

Einrichtungen für die Mensch-Prozess- Kommunikation

Technisches System (Automatisierungsobjekt)

Fest verdrahtete Einzelgeräte

Automatisierungs-

rechner

Automatisierungs- Softwaresysteme

Hardwaresystem (Gerätesystem)

Bussystem zur Kommunikation zwischen

den Automatisierungsrechnern

Prozessnahes Kommunikations- system (Feldbus)

Technisches Produkt

Technische Anlage

Schnittstellen zum Technischen Prozess

(Sensoren und Aktoren)

Kommunikations- system

Rechner- Hardware

Prozess- peripherie

Anwender- Software

System- Software



Sensoren (Messgeräte):

Erfassung von Informationen über den aktuellen Prozesszustand

Erfassung analoger physikalischer Größen

Messwertverarbeitung

- Erfassung und Digitalisierung mit ggf. analoger Filterung

- Linearisierung und Skalierung

- Signalübertragung in Schaltraum

Beispiele: Druck Temperatur Drehzahl Durchfluss Füllstand



Aktoren (Stellglieder):

Umsetzung von Steuerungsinformationen zur Beeinflussung von Prozessgrößen

Erzeugung der Stellgrößen

Meist durch Stellventile (Stellgeräte) oder Antriebe

Art der Verstellung

- Stetig (analog bzw. kontinuierlich) mit linearer oder modifizierter Kennlinie

- Binär (schaltend bzw. diskontinuierlich) direkt oder invertiert

Beispiele: Relais Magnete Ventile Stellmotoren



Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

Microcontroller (µC)

Personal Computer (PC) bzw.

Industrial Personal Computer (IPC)

Prozessleitsysteme (PLS)

Automatisierungsrechner:



Prozessleitsystem (PLS):

Betriebs- leitrechner

Anzeige- und Bedien- Komponente

(ABK)


(ABK)


(ABK)

Prozessnahe Komponente

(PNK)


(PNK)


(PNK)

Betriebsbus

Redundanter (herstellerspezifischer) Anlagenbus

Sensoren und Aktoren

Feldbus Feldgeräte

Schaltschrank

Leitstand



Automatisierungssoftware:

Menge aller Programme, die zur Ausführung der Automatisierungsaufgaben

erforderlich sind, inklusive ihrer Dokumentation

Trennung zwischen ausführenden und organisatorischen bzw. verwaltenden

Aufgabenbereichen

- Ausführende Programme (Anwendungssoftware)

- Organisierende und verwaltende Programme (Betriebssoftware oder

Systemsoftware)

• Messwerte einlesen und vorverarbeiten • Stellgrößen berechnen (Regelalgorithmus) • Ergebnisse visualisieren

• Treiberprogramme • Betriebssystem



Programme für Daten-

erfassung

Programme für Prozess-

überwachung

Programme für Prozess-

steuerung

Programme für Prozess- regelung

Programme für Prozessoptimierung

und -führung

Programme für Prozessschutz und -sicherung

Programme zur Ablauforganisation der Anwenderprogramme

Programme zur Steuerung der

Peripheriegeräte

Programme zur Organisation des

Datenverkehrs

Programme für die Mensch-Rechner-

Interaktion

Übersetzungs- Programme

Laufzeit- programme

Anwenderprogramme Systemprogramme Automatisierungs- software:

Betr

ieb

ssyste

m



Einfache Produkte

- Wenig Sensoren und Aktoren

- Kurze Leitungen

Komplexe Produkte

- Kommunikation zwischen Teilsystemen

über Bus-Systemen

- Beispiele: CAN-Bus, Interbus-S

Kommunikationssysteme bei der Produktautomatisierung:

Technisches Produkt

Microcontroller

Benutzer (Bediener)

Anzeig

en

Sollw

ert

e

Erg

ebnis

se

Ste

llgrö

ßen

Teilsystem 1

Micro- controller

Teilsystem 2 Teilsystem n

Micro- controller 1

Micro- controller 2

Micro- controller n

Benutzer (Bediener)



Vielzahl von weit verteilten Sensoren und Aktoren

Vielzahl von weit verteilten Automatisierungsrechnern

Kommunikationsaufgaben auf mehreren Ebenen

- Betriebsbus

- Anlagenbus (Prozessbus)

- Feldbussystem (prozessnah)

Kommunikationssysteme bei der Anlagenautomatisierung:

Teilanlage 1

Prozess- leitrechner

Teilanlage 2 Teilanlage n

SPS 1 SPS 2 SPS n

PC 1 PC m

Anzeige- und Bedienungsstationen

Betriebsbus

Anlagenbus

Feldbus Feldbus

Ebene 1

Ebene 2

Ebene 0

Technische Anlage



Beispiel: PLS Freelance 800F (ABB):

Ethernet

Einfacher PLS-Aufbau

Komponenten

- Engineeringtool:

Programmierung, Konfiguration und

Kommissionierung der Soft- und Hardware

- Operatortool:

Visualisierung, Bedienung und Diagnose



Beispiel: PLS Freelance 800F (ABB):

Erweiteter PLS-Aufbau




Automatisierungsgrad:

Umfang der in die Automatisierung einbezogenen Vorgänge

Bandbreite: Null bis vollautomatischer Betrieb

Achtung!: Auch bei vollautomatischem Betrieb kann der Mensch Eingriffe (Sollwert-Vorgabe oder Störfall) vornehmen!

Rechnereinsatzarten:

Offline-Betrieb (Betrieb mit indirekter Prozesskopplung) mit dem geringsten

Automatisierungsgrad

Online- und Open-Loop-Betrieb (offen prozessgekoppelter Betrieb) für einen

mittleren Automatisierungsgrad

Online- und Closed-Loop-Betrieb (geschlossener prozessgekoppelter

Betrieb) für einen hohen Automatisierungsgrad



Offline-Betrieb (Niedriger Automatisierungsgrad):

Zeitliche und gerätemäßige Entkopplung von Prozess und Rechner

Manuelle Fahrweise durch Personal (Ablesen und Dokumentieren von

Messdaten, Treffen von Entscheidungen zur Prozessführung, Benutzen des

Rechners bei komplexen Aufgaben, Bedienen von Steuer- und Regelgeräten)

Technischer Prozess

PID Anzeigegeräte und Schreiber

Steuer- und Regelgeräte

Bedienpersonal und offline Rechner Vorgaben, Anweisungen



Online- und Open-Loop-Betrieb (Mittlerer Automatisierungsgrad):

Zeitliche und gerätemäßige Kopplung von Prozess und Rechner

Datenerfassung, Protokollierung, Prozessvisualisierung durch Rechner

Hohe Anforderung bzgl. Echtzeitverhalten

Anlagenfahren durch Bedienpersonal

Automatisierungs- rechner

Bedienpersonal und Leitwarte

Technischer Prozess

PID Steuer- und Regelgeräte



Online- und Closed-Loop-Betrieb (Hoher Automatisierungsgrad):

Technischer Prozess

Automatisierungs- system

Bedienpersonal und Leitwarte

Zeitliche und gerätemäßige Kopplung von Prozess und Rechner

Steuerung, Regelung, Datenerfassung, Protokollierung, Prozessvisualisierung

durch Rechner

Hohe Anforderung bzgl. Echtzeitverhalten

Bedienpersonal im Normalfall nur zur Überwachung bzw. Eingriff in Notfällen


Erhöhung der Zuverlässigkeit und Sicherheit des Betriebsablaufes

Entlastung des Menschen von schwerer körperlicher, gefährlicher oder

monotoner Arbeit

Resourceneffizienter Betrieb der Anlagen

Komfortable Bedienung

Erhöhung der Durchsatzleistung

Verbesserung und Vergleichmäßigung

der Produktqualität

Einsparung von Personalkosten


Ziele:

Erhöhung des Profits

Keine Stillstände, keine Unfälle

Niedrige Material- und Energieverbräuche

Bequemlichkeit, wenig Stress

Humane Arbeit


In der Wirtschaft geht es immer(!) um Geld.

Keine Investition in Automatisierungssysteme (Modernisierung,

Optimierung oder Neubeschaffung) ohne Nachweis der (potentiellen)

Wirtschaftlichkeit

Eine tolle/neue Technologie ist in der Regel überhaupt kein Argument.

Rentabilitätsmaß: Return of Investment (ROI): Quotient aus Gewinn und

Kapitaleinsatz

Es ist gleichgültig, in welche Einheit sich der Nutzen umrechnen lässt

(Kosten, Produktion, Energie, CO2, ...).

Auch bei indirektem Nutzen (Erfüllung von Auflagen/Richtlinien, Verringerung

der Reklamationsrate, Marketinginstrumente, …) geht es um Geld.

Ästhetik, Branding bei Massenprodukten


Merke:



Werttreiberbaum (Honeywell):



Wichtigste technische bzw. sozio-ökonomische Entwicklungen und Erfordernisse der Mess- und Automatisierungstechnik in den nächsten drei Jahren (GMA-Umfrage 2010):



Energieeinsparpotential durch effiziente Automatisierung: im Mittel 15% (ZVEI-Studie 2009)



Energieintensive Industriebereiche:



Energieeinsparmöglichkeiten durch effiziente Automatisierung (ZVEI-Studie 2009):

Zustands- überwachung

Instands- haltung

Regler- Optimierung

Prozess- überwachung

Prozess- konfiguration

Prozess- führung



Früher:

- 1745 (Schmied Edmund Lee): Windmühle mit drehbarer Turmhaube

„Automatisierung“ der Drehung durch zusätzliches Windrad

- 1787 (Edmond Cartwright):

automatische Webmaschinen (Power

Looms); Weberaufstände ab 1811 in

England und in der Schweiz

- 1913 (Henry Ford): Einführung der

ersten Fließbandfertigung als Grundlage

für die Serienfertigung von Autos (1921)



Bis 1940: keine Automatisierung im heutigen Sinne

- Mess- und Stellgeräte verstreut am jeweiligen Mess- bzw. Stellort

- Betätigung der Stellorgane (z.B. Ventile) ausschließlich per Hand

Feld- leitstand



19401950: Vorstufe der Automatisierung

- Errichtung eines Leitstandes vor der Anlage; Wand zum Schutz des

Bedienungspersonals

- Mechanische oder elektrische Verlängerung der Mess- und Stellorgane zur

Wand

- Zentralisierung der Geräte und Bedienung

Zentraler Leitstand (Mosaiktechnik)



19501960: Beginn der „eigentlichen“ Prozessautomatisierung

- Einführung von Messfühlern, fernbedienbaren Stellgliedern und zentralen

Messwarten mit Anzeigegeräten und Fernbedienung

- Einführung von (pneumatischen) Reglern, womit der Prozess nahezu

selbsttätig ohne Eingriff des Bedienungspersonals ablaufen kann.

- Einführung und Verknüpfung von Bausteinen zur Erleichterung der Arbeit des

Bedienungspersonals, z.B.: Grenzwertmelder, Blattschreiber, zyklische

Abtaster, Vergleicher, Verknüpfungsschaltungen

Rollschuhwarte



Ab ca. 1960:

- Verwendung genormter, elektrischer Signale (4 bis 20mA; 0 bis 10V;

0 oder 24V) zur Messwertübertragung und zur Stellgeräteansteuerung

(anstelle pneumatischer Signale)

- Einsatz von zentralen Prozessrechnern anstelle der einzelnen Bausteine,

zunächst hauptsächlich für Aufgaben der Dokumentation und der

Registrierung von Messwerten und Prozessdaten;

in wenigen Fällen für Aufgaben

der (automatischen) Regelung



Ab ca. 1975:

- Einführung von verteilten, computerbasierten Prozessleitsystemen

(dezentrales PLS)

- Übernahme der Aufgaben der Prozessführung (Signalumwandlung,

automatische Regelung) durch prozessnahe Komponenten (PNKs) ohne

Zutun des Bedieners

- Visualisierung und Bedienung

durch ein Rechnernetzwerk

(gekoppelt an die PNKs)



Ab ca. 1985:

- Zunehmende Digitalisierung und Miniaturisieung der Komponenten der

Prozessleitsysteme (PLS)

- Programmierung, Konfigurierung und Bedienung zunehmend durch

Betriebsysteme wie Windows, Unix oder Linux (Fenstertechnik, Drag-

and-Drop usw.).

- Einführung von

Schnittstellen zwischen

PLS und

Bürocomputern

zur Auswertung der

Produktionsdaten



Ab ca. 1995:

- Konsequente Digitalisierung der gesamte Prozessleittechnik einschließlich

Messgeräte und Aktoren mit Hilfe der Feldbus-Technologie

Ab ca. 2000:

- Hochverteilte, vernetzte Systeme mit intelligenten Sensoren und Aktoren,

SPS/Controller-basierte PLS, Standardisierung von Netzen und

Protokollen



Prozessautomatisierung

Anlagenautomatisierung

Produktautomatisierung (Unterhaltungselektronik, Automobil, Handelsschiff, … )

Produktionsstätten

Kraftwerke (Dampf-, Wasser-, Blockheizkraftwerke)

Fertigungsautomatisierung (Teilefertigung, Automobilmontage)

Verfahrensautomatisierung (Walzwerke, Raffinerien, Chemieanlagen)

Netze (Strom-, Wasser-, Gasversorgung)

Gebäude (Krankenhäuser, Flughafengebäude, Hochschulen)

Verkehrssysteme (Straße, Wasserwege, Luftfahrt)

Kommunikation (Telefon- und Datennetze)

Einteilung:



Beispiele:

Papierfabrik

Raffinerie Dampfkraftwerk

Walzwerk



Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren

PNK 1 PNK n

PPS DB

CAD DWH

QS ABK PFK

3: Betriebsleitebene (Produktionsplanung)

0: Sensor-/Aktorebene (Feldebene)

1: Steuerungs-/Regelungsebene (Basisautomatisierung)

2: Prozessleitebene (Prozessautomatisierung)

4: Managementleitebene (Unternehmensführung)

Material- und Energiefluss

Info

rmationsfluss

Automatisierungspyramide:


Varianten und Synonyme:



Zeitliche Anforderung

Ebene 2 Prozessleitebene

Ebene 1 Steuer- und Regelungsebene

• Steuern, Regeln • Verriegeln, Not-Bedienen • Abschalten, Schutz

• Visualisierung und Bedienung • Prozessüberwachung/-diagnose • Störungsbehandlung • Prozessoptimierung

Betriebsleitebene Ebene 3

Managementebene Ebene 4

• Personal- und Finanzplanung • Kostenanalysen • Statistische Auswertungen

Ebene Funktionen


• Betriebsablaufplanung • Produktionsplanung • Kapazitätsoptimierung • Qualitätskontrolle


Rechner- und Kommunikationsarchitektur (Siemens):



Rechner- und Kommunikationsarchitektur (ABB):



Rechner- und Kommunikationsarchitektur (Honeywell):




Wesentliche Hauptfunktionen:

Messwerterfassung und -auswertung

- Messdatenspeicherung und -verarbeitung im Rechner

Prozessüberwachung und Fehlerdiagnose

- Visualisierung, Protokollierung, Zustandsbeobachtung, Grenzwertkontrolle,

Fehlererkennung und -isolation

Prozesssicherung

- Verriegelung, Behandlung von Alarmen, Reaktionsstrategien bei Gefahr

Prozessstabilisierung (Steuerung und Regelung)

- Erreichung und Aufrechterhaltung von Arbeitspunkten bzw. Prozessregimen

Prozessführung

- Prozessablauf bei instationären Phasen

Prozessoptimierung

- Ermittlung optimaler Arbeitspunkte



Messwerterfassung und -auswertung:

Datenerfassung, -aufbereitung, Berechnung von Kennwerten und Ablage im Rechner

Typische Teilaufgaben

- Zyklische Erfassung, Umwandlung und Zahlendarstellung großer

Datenmengen im Rechner

- Verarbeitung der angepassten Messwerte durch Rechnerprogramme

(Auswerteprogramme)

- Ermittlung von aussagekräftigen Kennwerten, z.B. Mittelwerten,

Standardabweichungen und Glättungswerte, aus einer Fülle von

Einzelmesswerten (Datenreduktion)

- Datenanalyse (Berechnung von Spektren, Datenclusterung usw.)

- Speicherung der Daten und der Auswertergebnisse in geeigneter Form

(Datenbanken)



Prozessüberwachung:

Bereitstellung von Informationen über den Prozess für das Betriebspersonal oder für die automatische Prozessdatenverarbeitung und -auswertung


- Anzeige aller wichtigen Prozessgrößen in geeigneter Form, heute zumeist als Displays

- Protokollierung ausgewählter Prozessgrößen

- Signalisierung der Verletzung zulässiger Grenzwerte (Ergebnis der

Grenzwertkontrolle)

- Berechnung zusätzlicher Größen, insbesondere nichtmessbarer

Prozessgrößen während des Betriebes der Anlage (Zustandsbeobachtung),

z.B. der Temperatur oder Kohlenstoffkonzentration in einer

Eisenerzschmelze, Berechnung abgeleiteter Größen wie z.B. von

Zwischengerüstbanddicken in einer Walzstraße



Zustandsbeobachter als Basis der Prozessüberwachung:

u

y

Zustands- beobachter

Prozess

Störungen

Eingangs- größen

Gemessene Ausgangsgrößen

xGeschätzte (interne) Zustände

Schätzung unbekannter, interner Prozesszustände aus Ein- und

gemessenen bzw. bekannten Ausgangsgrößen

0x

0x

Informations- flluss

Voraussetzungen

- Störung klein genug

- Modell des Prozesses vorhanden


Erkennung und Ermittlung von auf den Prozess einwirkenden Fehler durch

Vergleich des aktuellen Ein-/Ausgangsverhaltens (Messwerte) mit dem zu

erwartenden Ein-/Ausgangsverhalten im Fehlerfreien Betrieb (Modell) des

Prozesses

Probleme

- Anfangszustand unbekannt Zustandsbeobachter notwendig

- Störung kann Ursache der Abweichung sein Gefahr von nicht eindeutigen

Aussagen über den Fehler


Fehlerdiagnose:

u

y

Diagnose- algorithmus

Prozess

Störungen

Eingangs- größen


fGeschätzter Fehler

0x

0x

Informations- flluss

Fehler

f



Prozesssicherung:

Gewährleistung eines sicheren Prozessablaufes durch die Vermeidung

gefährlicher Prozess- und Anlagenzustände; Schutz des Menschen,

Sicherstellung der Langlebigkeit der Anlage und der Produktqualität


- Verriegelung im Prozessablauf zum Erzwingen einer bestimmten Reihenfolge von (Schalt-)Handlungen

- Noteingriffe bzw. automatische Abschaltung von Maschinen oder

Anlagen(-teilen) bei sicherheitsgefährdender Grenzwertüberschreitungen

- Erhöhung der Zuverlässigkeit des Automatisierungssystems durch

Installation von Redundanzkomponenten

- Anwendung spezieller Prüf- und Plausibilitätsalgorithmen, z.B. zur

Erkennung/Vermeidung von Fehleralarmen

- Realisierung flexibler Reaktionen auf tatsächlich eingetretene gefährliche

Prozess- oder Anlagenzustände zur Vermeidung von Zeitabschnitten völligen

bzw. langen Stillstands



Prozessstabilisierung (Steuerung und Regelung):

Regelung

- Geschlossener Regelkreis: Stellgrößen fortlaufend so bestimmen, dass der

Prozess das durch die Führungsgröße w beschriebene Verhalten bekommt,

d.h. ( ) ( ).y t w t

Regler

Regel- größe

Prozess/ Anlage

Sollwert

Aktor

Sensor

Störungen

– w

e u

y

Stell- größe

Steuerung bei kontinuierlichen Prozessen

- Offene Wirkungskette (keine Rückführung) Klassische Lehre!

- Keine Reaktion auf (nicht gemessene) Störungen

- Kenntnis des Zusammenhanges zwischen Ein- und Ausgangsgrößen notwendig


Steuerkreis bei Ereignisdiskreten Systemen üblich in Technik und Industrie!

Unterschiede zum Regelkreis

- Größere Anzahl der zu verarbeitenden Informationen: externe Befehle,

Aktor- und Prozessrückmeldungen (meist mehrere zehn bis einige Hundert)

- Keine Sollwerte keine Soll-Istwert-Vergleiche (auch da binäre Größen!)

- Befehle und Ausgangsgrößen passen „strukturell“ nicht zusammen.



Steuer- algorithmus

Ausgangs- größen

Prozess/ Anlage

Befehle

Aktoren

Sensoren

Störungen

Stell- größen

Prozess- Rückmeldungen

Aktor- Rückmeldungen


Steuerkreis – Beispiel: Aufzugsteuerung

Steuerungsumfang bei Aufzugsanlage mit zwei Körben und

für ein fünfstöckiges Gebäude: 90 binäre Signale, die als Ein-

und Ausgangssignale vom Steueralgorithmus zu verarbeiten sind.



Steuer- Algorithmus (z.B. in SPS)

Ausgangs- größen

Fahrkorb mit Türen

Fahr- wünsche Fahrmotor,

Türmotor, Bremse, Lüfter, …

Lagesensoren, Lichtschranken, Kraftsensoren

Nutzerverhalten, Sensordejustage, …

Stell- größen

Prozess- Rückmeldungen

Motor- Rückmeldungen




Typische Teilaufgaben der Prozessstabilisierung

- Erzwingung oder Verhinderung von diskreten Zuständen oder Zustandsfolgen

- Erreichung von Arbeitspunkten und Angleichung der Regelgrößen an die

Führungsgrößen

- Eliminierung bzw. Minimierung der Wirkung von Störeinflüssen auf die

Prozessgrößen

Reglerentwurf ist Gegenstand der Regelungstechnik

(Grundlagenvorlesung; Kenntnisse werden hier vorausgesetzt.)

Steuerungsentwurf ist Gegenstand der Steuerungstechnik

(Veranstaltung „Qualitative Methoden der Regelungstechnik“, Ahle/Söffker)

Steuerung im weiten Sinne

- Umgangssprachlich wird der Begriff „Steuerung“ in der

Prozessautomatisierung als Oberbegriff für viele Aufgabenbereiche,

insbesondere für jede Form des korrigierenden Eingreifens, verwendet,

wie z.B. Regelung, Führung und Optimierung.


Merkmale

- Modell als integraler Bestandteil des Reglers

- Vorausschauende Arbeitsweise

- Universelle Anwendbarkeit

- Komplexer Entwurf


Modellbasierte Regelung:

y

Prozess- modell

Regler- optimierung

Prozess u

Prädiktion

Arbeitspunkt- Generierung

w

y

Modellfehler

Vergangene Daten Störungen



Modellbildung als Basis für Prädiktion:

u

y

y

MinV

Identifikations- algorithmus

Ziel- funktion

Modell

Prozess

e

Fehler

Störungen

Eingangs- größen

Gemessene Ausgangs-

größen

Geschätzte Ausgangs-

größen

Geschätzte Modellparameter

Theoretische Prozessanalyse

- Modell aus physikalischen Gesetzmäßigkeiten

- Algebraische Gleichungen und Differentialgleichungen

Experimentelle Prozessanalyse (Prozessidentifikation)

- Modell aus gemessenen bzw. bekannten Ein- und Ausgangsdaten

- Polynommodell, Fuzzy-Modell, neuronales Modells, etc.



Vorhersage (Prädiktion) des Systemverhaltens:

u

y

y

Prädiktor

Prozess

Störungen

Eingangs- größen


Prädizierte Ausgangsgrößen

Voraussetzung

- Kenntnis des Systemzustandes zum Start des Vorhersageintervalls

- Störung hinreichend klein

Vorhersageaufgaben

- Entwurf von Steuerungen

- Operative Steuerungsaufgaben, bei denen das Bedienpersonal die

Steuerentscheidung in Abhängigkeit der aktuelle Arbeitsweise der Anlage

fällt.

0x

0x



Prozessführung:

Realisierung eines logisch oder zeitlich vorgegebenen Prozessablaufes und damit

beabsichtigte Änderung von Prozessgrößen


- Binärsteuerungen zur Realisierung von Verknüpfungen, Zeitplan- und

Ablaufsteuerungen, etc.

- Steuerung von Anfahr-, Abfahr- sowie Umsteuervorgängen in

kontinuierlichen Prozessen

- Koordinierungssteuerungen

von Teilprozessen

größerer Produktions-

systeme

Siebengerüstige Warmbandstraße



Prozessoptimierung:

Ermittlung optimaler Arbeitspunkte

Statische Prozessoptimierung: Bestimmung und Erreichung optimaler

Arbeitspunkte für stationäre Betriebszustände, z.B.

- konkrete Werte für Prozessgrößen wie Druck, Konzentration,

Füllstand oder Temperatur bei verfahrenstechnischen

Reaktionsprozessen

- konkrete Werte für Walzkräfte, Zwischenwalzdicken, Bandzüge,

Walzspaltpositionen, etc. bei Walzprozessen

Dynamische Prozessoptimierung: Berechnung und Realisierung optimaler

Übergangsvorgänge von einem stationären Arbeitspunkt zum anderen, z.B.

Art und Weise des Anfahrens und Abbremsens



Beispiel Banddickenregelung in Kaltwalzstraße:



Beispiel Walzwerksautomatisierung

Quelle: Horch (2010)



Verfahrensfließbild:

„Das Fließbild ist die vereinfachte zeichnerische Darstellung von Aufbau und Funktion verfahrenstechnischer Anlagen. Es dient der Verständigung der an der Entwicklung, Planung Montage und dem Betreiben derartiger Anlagen beteiligten Stellen über die Anlage selbst oder über das darin durchgeführte Verfahren ... “ [EN ISO 10628:2000] Standardisierung der Darstellungen, Symbole und Begriffe für Fließbilder: EN ISO 10628:2000 zusammen mit den DIN-Normen 28004, Teile 1 bis 4

Typen von Fließbildern:

Grundfließbild: Einfache Darstellung mit Hilfe von Rechtecken (Verfahren bzw.

Verfahrensabschnitte) und Linien mit Pfeilen (Informations- oder Stofffluss)

Verfahrensfließbild: Weniger abstrakte Darstellung mit Bezeichnung der

Anlageteile und Angabe von charakteristischen Bedingungen

Rohrleitungs– und Instrumentenfließbild (R&I–Fließbild): Detaillierte

Darstellung mit Informationen zu Spezifikation und Anordnung von

Anlagenteilen sowie zu prozessleittechnischen Stellen und deren Aufgaben



Pumpen, Verdichter, Fördereinrichtungen und spezielle Apparate

Fließbildsymbole - Standardisierung:



Rohrleitungen und Armaturen





Behälter, Apparate und Stofftrennapparate




EMSR-Stellen (DIN 19227)




EMSR-Stellen (DIN 19227) – Forts.




EMSR-Stellen (DIN 19227)




Beispiele


Grundfließbild:

Zerkleinern

Lösen Reagieren Trennen

Zusatzstoff

Einsatzstoff

Lösungsmittel

Lösungsmittel

Endprodukt

Rechtecke kennzeichnen

- Verfahrensabschnitte bei Verfahren

- Grundoperationen bei Verfahrensschritten

- Anlagen bei Anlagenkomplexen

- Anlagenteile bei Anlagen

Beispiel

Zu abstrakt

Keine Information über MSR-Stellen!



Verfahrensfließbild:

Darstellung mit

- allen für das Verfahren notwendigen Apparaten und Maschinen und die

Hauptfließlinien (Hauptrohrleitungen, Haupttransportwege)

- Benennung und Durchflüsse bzw. Mengen der Ein– und Ausgangsstoffe

- Benennung von Energie und Energieträgern

- Angabe der charakteristischen Betriebsbedingungen

Beispiel

Keine MSR-Informationen!



R&I-Fließbild:


Darstellung mit

- allen Apparaten und Maschinen einschließlich Antriebsmaschinen,

Rohrleitungen bzw. Transportwegen und Armaturen

- Nennweiten, Druckstufen, Werkstoffen und Ausführungen der Rohrleitungen

- Angaben zur Wärmedämmung von Apparaten, Maschinen und Rohrleitungen

- Aufgabenstellung für Messen, Steuern und Regeln (MSR)

- kennzeichnende Größen von Apparaten und Maschinen, gegebenenfalls in

Form von getrennten Listen

Beispiel


Industrielle Rektifikationsanlage:




Automatisierungssystem einer kommerziellen Wäschereimaschine:



Automatisierungssystem einer Heizungs- und Brauchwasserbereitungsanlage:


1.12 Lösungsweg für Automatisierungsaufgaben

1. Prozessanalyse:

Sammeln von wichtigen Informationen über das Verhalten des zu

steuernden Systems und Herleitung eines Modells

2. Analyse des Systemverhaltens:

Untersuchung von für die Automatisierung wichtigen Eigenschaften des

zu automatisierenden Systems

3. Entwurf:

Entwurf einer Automatisierungseinrichtung (z.B. diskrete Steuerung,

Regler, Überwachungssystem in einem PC, IPC, µC oder einer SPS) für

die zu lösende Automatisierungsaufgabe

4. Erprobung am Modell:

Test der Automatisierungseinrichtung in einer Simulationsumgebung,

Feststellung, ob das gesamte System in typischen Situationen wie

vorgeschrieben verhält.

5. Realisierung:

Gerätetechnische Realisierung der Automatisierungseinrichtung,

Installation am Prozess und Inbetriebnahme



Beabsichtige (positive) Auswirkungen:

Einfachere und bequemere Handhabung

- Automatisierung einer Waschmaschine

- Automatisierung einer Heizungsanlage

Erzeugung besserer, billigerer, gleichmäßigerer Produkte mit weniger

Arbeitseinsatz

- Automatisierung chemischer Verfahrensanlagen

Verringerung der Gefährdung von Menschen

- Fahrerassistenz-Systeme (ABS, ESP usw.)

- Automatisierung von Verkehrssystemen, wie induktive Zugsicherung,

automatische Schranken

Humanisierung von Arbeitsbedingungen

- Automatisierung von Lackierereien, Stahlwerken

Sicherung von Arbeitsplätzen durch Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit

- Einsatz von Robotern in der Automobilfertigung



Stranggießen früher

Stranggießen heute



Bandwalzen früher

Bandwalzen heute



Unbeabsichtige (negative) Auswirkungen:

Freisetzen von Arbeitskräften kann zu Arbeitslosigkeit führen

- Einsatz von Robotern in der Fertigung

Berufliche Umstrukturierung von Arbeitsplätzen durch die Veränderung von

Arbeitsabläufen und Arbeitsinhalten

- Höherqualifizierung von Arbeitsplätzen, Wegfall von Hilfsarbeiten

- Zunahme von Dienstleistungsberufen

Verringerung der menschlichen Kontakte

- Einführung von Fahrkarten- und Auskunftsautomaten

Erhöhung des Stresses und Verringerung von entspannenden Tätigkeiten

- Automatisierung von Prüffeldern

Überforderung in schwierigen Situationen

- Sicherheitskritische Entscheidungen in einem Kernkraftwerk



Heutige Bedeutung Automatisierungstechnik:

Automatisierung ist Wachstumsmotor und sorgt für eine effiziente Produktion.

Automatisierung ist kein Jobkiller, sondern sichert mit 234.000 Beschäftigten in

Deutschland weitere 3 Mio. Arbeitsplätze (Analyse des ZVEI, 2010).

Deutschland ist Weltmarktführer:

12% Weltmarktanteil;

Umsatz: 36 Mrd. € (2009)



Verantwortung des Automatisierungsingenieurs für die Auswirkungen der Prozessautomatisierung:

Direkte, unmittelbare Verantwortung

- Schäden in von ihm entworfenen Prozessautomatisierungssystemen

- Verletzung von anerkannten Bestimmungen und Regeln der Technik

(VDE-Bestimmungen usw.)

- Sicherheit der Automatisierungssysteme

Indirekte, mittelbare Verantwortung

- Unbeabsichtigte Nebenwirkungen

Dilemma: Abwägung Nutzen/Schaden

Prozessautomatisierung hat Auswirkungen auf

- Menschen

- Gesellschaft

- Umwelt

- Energie und Rohstoffe



Ethische Grundsätze für Automatisierungsingenieure:

- aus VDI: Ethische Grundsätze des Ingenieurberufs, 2002

Automatisierungsingenieurinnen und -ingenieure …

… verantworten die Folgen ihrer beruflichen Arbeit.

… erbringen nachhaltige Lösungen.

… sind sich bewusst über die Zusammenhänge technischer Systeme.

… orientieren sich an den Grundsätzen allgemein moralischer Verantwortung.

… achten das Arbeits-, Umwelt- und Technikrecht.

… suchen in berufsmoralischen Konfliktfällen institutionelle Unterstützung.

… verpflichten sich zur ständigen Weiterbildung.

Es geht nicht nur um Geld!


1.14 Literaturempfehlungen

R. Lauber, P. Göhner: Prozessautomatisierung 1. Springer, 1999.

R. Lauber, P. Göhner: Prozessautomatisierung 2. Springer, 1999.

B. Favre-Bulle: Automatisierung komplexer Industrieprozesse. Springer, 2004.

K.F. Früh, U. Maier: Handbuch der Prozessautomatisierung. Oldenbourg, 2009.

G. Strohrmann: Automatisierung verfahrenstechnischer Prozesse. Oldenbourg, 2002.

H. Winter: Prozessleittechnik in Chemieanlagen. Verlag Europa-Lehrmittel, 2008.

prozessautomatisierungstechnik - willkommen an der ... · ws 2013/14 vorlesung: ... 1.2 fachliche...

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