prozessleittechnik in...
TRANSCRIPT
VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL . Nourney, Vollmer GmbH & Co. KGDüsselberger Straße 23 . 42781 Haan-Gruiten
Europa-Nr.: 70962
Prozessleittechnik
in Chemieanlagen
von
Dr.-Ing. Henry Winter und Dipl.-Ing.(FH) Marina Thieme
4. Aufl age
EUROPA-FACHBUCHREIHEfür Chemieberufe
Titelei.indd 1Titelei.indd 1 20.03.13 11:1320.03.13 11:13
2
4. Aufl age 2013
Druck 5 4 3 2 1
Alle Drucke derselben Aufl age sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfeh-lern untereinander unverändert sind.
Das vorliegende Fachbuch wurde auf der Grundlage der aktuellen amtlichen Rechtschreibregeln erstellt sowie auf der Grundlage des zur Zeit der Drucklegung aktuellen Standes des technischen
Normen-Regelwerks.
ISBN 978-3-8085-7099-9
Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwendung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.
© 2013 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruitenhttp://www.europa-lehrmittel.de
Umschlaggestaltung: Typework GmbH, 86167 Augsburg
Satz: Grafi sche Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar
Druck: TUTTE DRUCKEREI GmbH, Salzweg
Autor:
Dr.-Ing. Henry Winter, Nemsdorf-Göhrendorf
Der Autor hat langjährige Erfahrungen als Trainer für Prozessleittechnik und Verfahrenstechnik in einer überbetrieblichen Ausbildungsstätte der chemischen Industrie. Derzeit arbeitet er als Inge-nieur für Anlagensicherheit in der Petrochemie und ist dabei unter anderem mit der Optimierung von prozessleittechnischen Systemen befasst. Durch seine berufl iche Tätigkeit kennt er die her-stellerunabhängigen Funktionsprinzipien sowie die häufi gsten Verständnisschwierigkeiten der Lernenden.
Mitautorin:
Marina Thieme, Dipl.-Ing. (FH), Bad Lauchstädt
Die Mitautorin ist seit 1987 als Ausbilderin und Trainerin in der chemischen Industrie tätig. Dabei hat sie sich auf die Gebiete Speicherprogrammierbare Steuerungen, Visualisierung von Bedien- und Beobachtungsgeräten sowie das Automatisieren von mechatronischen Systemen speziali-siert. Ihre langjährige Erfahrung beim Aufbereiten und Vermitteln unterschiedlichster Lehrinhalte ermöglicht es ihr, die Themen zur Steuerungstechnik in diesem Buch einfach und verständlich darzustellen.
Verlagslektorat:
Dr. Astrid Grote-Wolff
Bildbearbeitung:
Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, 73760 Ostfi ldern
Titelei.indd 2Titelei.indd 2 20.03.13 11:1320.03.13 11:13
3
Vorwort
Vorwort
Mit dem Einzug der modernen Computerhardware und -software in die Automatisierungs-systeme von industriellen stoffwandelnden Prozessen ist aus der konventionellen MSR-Tech-
nik die Prozessleittechnik geworden. Sie hat dem Bediener völlig neue Möglichkeiten der Infor-mationsgewinnung, Informationsverarbeitung und -verdichtung eröffnet. In einem modernen Prozessleitsystem arbeiten digitale Geräte zusammen mit konventionellen analogen Geräten. Die Prozessleitsysteme bilden in den Prozessanlagen ein verteiltes Netzwerk aus Komponenten zur Informationsgewinnung und -verarbeitung sowie zur automatisierten und manuellen Beein-fl ussung von Prozessen. Das Verständnis der wesentlichen Funktionsprinzipien ist für den Be-schäftigten in der stoffwandelnden Industrie eine Voraussetzung für die zielführende Nutzung dieser Systeme.
Zielgruppen: Das vorliegende Buch „Prozessleittechnik in Chemieanlagen“ verfolgt das Anlie-gen, Auszubildende, Berufsanfänger und Umzuschulende im Bereich der stoffwandelnden Indus-trie, speziell der chemischen Industrie, mit den elementaren Grundlagen der Prozessleittechnik vertraut zu machen. Als einführendes Lehrbuch stellt das Werk eine Hilfe speziell im Rahmen der Erstausbildung zum Chemikanten, Pharmakanten, Chemielaboranten, Lacklaboranten so-wie Biologielaboranten dar. Darüber hinaus ist es dazu geeignet, dem Elektroniker für Auto-
matisierungstechnik den Einstieg in die Prozessleittechnik zu erleichtern.
Ergänzend kann das Buch in verschiedenen technischen Ingenieur-Studiengängen mit Bezug zur stoffwandelnden Industrie eingesetzt werden, wenn der Bedarf besteht, industriell bewährte Funktionsprinzipien ohne mathematischen Hintergrund zu verstehen. Insbesondere für Studie-rende der Fachrichtungen Chemische Technologie und Verfahrenstechnik wird es von Nutzen sein.
Methodische Prinzipien: Die Autoren legen besonderen Wert auf eine praxisorientierte Darstel-
lung der Fakten und Zusammenhänge und beschränken sich bei der Darstellung von wissen-schaftlichen Hintergründen auf das unbedingt Notwendige. Durch die enthaltenen Beispiele wird der Leser in die Lage versetzt, seine vorhandenen Kenntnisse selbstständig zu vertiefen und zu erweitern. Dieses Herangehen entspricht der in den aktuellen Lehrplänen und Ausbildungsord-nungen zur Berufsausbildung angestrebten Förderung der Methodenkompetenz. Das Buch ist als unterrichtsbegleitendes Lehrmaterial ebenso geeignet wie für das Selbststudium.
Inhaltliche Schwerpunkte: Zu den inhaltlichen Schwerpunkten zählen die Mess- und Regelungs-
prinzipien, Stellorgane, Steuerungsvorgänge bei Batchprozessen sowie Aufbau und Funktion von digitalen Prozessleitsystemen. Daneben werden die Arbeitsprinzipien beim Konfi gurieren
und bei der Fehlersuche in Prozessleitsystemen dargestellt.
Neu oder geändert in der 4. Aufl age: In der 4. Aufl age wurde die Norm DIN EN 62424 „Dar-stellung von Aufgaben der Prozessleittechnik“ konsequent in alle Teile des Buches eingearbeitet. Diese Norm regelt die Darstellung der MSR-Stellen („PCE-Kategorien“) völlig neu. Sie löst nach einer Übergangsphase von Januar 2010 bis Juli 2012 die bisher geltende Norm DIN 19 227 ab. Darüber hinaus wurde die Konfi guration von Ablaufsteuerungen mithilfe der Spezifi kationsspra-che GRAFCET gemäß DIN EN 60848 umfassend berücksichtigt und mit Beispielen hinterlegt.
Wir wünschen unseren Lesern viel Erfolg und Freude beim Einstieg in die Grundlagen der mo-dernen Prozessleittechnik. Hinweise und Ergänzungen, die zur Verbesserung oder Weiterent-wicklung des Buches beitragen, nehmen wir unter der Verlagsanschrift oder per E Mail ([email protected]) gerne entgegen.
Frühjahr 2013 Autoren und Verlag
Titelei.indd 3Titelei.indd 3 20.03.13 11:1320.03.13 11:13
4
Inhaltsverzeichnis
1 Defi nition des Begriffs „Prozessleittechnik” (PLT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Begriffsteil „Prozess” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Begriffsteil „Leiten” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Begriffsteil „Technik” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 Zusammenführung der Begriffsteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6 Prozessleittechnik und Automatisierungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7 Abgrenzung von Prozessindustrie und Fertigungsindustrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.8 Fachliche Teilgebiete der Prozessleittechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 Historische Entwicklung der Prozessleittechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Hauptfunktionen, die vom Prozessleitsystem auszuführen sind . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Signalaufnahme- und Signalwandlungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Signalaufbereitungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 Regelungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5 Steuerungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5.1 Vorwärtssteuerungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.2 Ablaufsteuerungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6 Überwachungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.7 Dokumentationsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.8 Signalausgabefunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 Aufbau und Funktion von computerbasierten Prozessleitsysteme . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Einfaches Prozessleitsystem ohne Controller als Einplatzstation . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3 Einfaches Prozessleitsystem ohne Controller als Mehrplatzsystem . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4 Prozessleitsystem mit externem Controller als Mehrplatzsystem . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5 Prozessleitsystem mit mehreren externen Controllern als Mehrplatzsystem . . . . . . 63
4.6 Prozessleitsysteme mit Remote-I/Os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.7 Prozessleitsysteme mit Feldbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.8 Das Ebenenmodell der Prozessleittechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.9 Zusammenfassung zu computerbasierten Prozessleitsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Inhaltsverzeichnis
Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Titelei.indd 4Titelei.indd 4 20.03.13 11:1320.03.13 11:13
5
Inhaltsverzeichnis
5 Bedienen und Beobachten von Chemieanlagen mithilfe von Prozessleitsystemen . 80
5.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2 Informationsbereitstellung auf dem Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3 Anlagenübersichtsdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4 Fließbilddarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.5 Faceplate-Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.6 Detaildarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.7 Gruppendarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.8 Trenddarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.9 Alarmdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.10 Historische Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.11 Bedienaktivitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6 Grundlagen der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2 Elektrischer Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2.1 Gleichspannung und Wechselspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2.2 Der Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2.3 Mehrere Stromkreise – Zusammenfassung von Minuspolen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.2.4 Der Schutzleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3 Reihen- und Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.4 Widerstand und Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.5 Die Impedanz als Wechselstromwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.6 Elektrische Verbraucher im Prozessleitsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.7 Sicherungsmaßnahmen zum Leitungsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.8 Sicherungsmaßnahmen zum Personenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.8.1 Schutzisolierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.8.2 Verwendung von Kleinspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.8.3 Fehlerstrom-Schutzschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.9 Transformation von elektrischem Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.10 Gleichrichten und Glätten einer Wechselspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.11 Galvanische Trennung und Eigensicherheit von Stromkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.12 Leiterplatten als servicefreundliches Bauteil im Prozessleitsystem . . . . . . . . . . . . . 123
6.13 Modulation von elektrischen Größen zur Signalübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.13.1 Binärsignale durch Ein-/Aus-Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.13.2 Analogsignal durch Strommodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.13.3 Digitale Signale durch Ein-/Aus-Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.13.4 Digitale Signale durch Frequenzmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Titelei.indd 5Titelei.indd 5 20.03.13 11:1320.03.13 11:13
6
Inhaltsverzeichnis
6.13.5 Das HART-Protokoll als Kombination von Strom- und Frequenzmodulation . . . . . . 128
6.14 Messen und Prüfen von elektrischen Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.14.1 Spannungsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.14.2 Durchgangsprüfung und Widerstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.14.3 Spannungsmessung und Strommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.14.4 Leistungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.14.5 Frequenzmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.15 Relais-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.2 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.2.1 Thermoelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.2.2 Widerstandsthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.2.3 Strahlungspyrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.3 Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.3.1 Federmanometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.3.2 Kapazitive Drucksensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.3.3 Induktive Drucksensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.3.4 Dehnungsmessstreifen (DMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.3.5 Piezoresistive Drucksensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.4 Füllstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.4.1 Behälterwägung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.4.2 Bodendruckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.4.3 Einperlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.4.4 Schwimmermessverfahren (Magnetoresistives Messverfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.4.5 Kapazitive Füllstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.4.6 Radiometrische Füllstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.4.7 Füllstandsmessung mit Ultraschall, Radar oder Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.4.8 Mechanische Lotsysteme(Füllstandsmessung mit Fühlgewicht oder Fühlschwimmer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.4.9 Füllstands-Grenzwertüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.5 Durchfl ussmessung des Massen- oder Volumenstromes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.5.1 Ovalradzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.5.2 Birotorzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.5.3 Drehschieberzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.5.4 Drehkolbengaszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.5.5 Flügelradzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.5.6 Woltmannzähler (Turbinenzähler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.5.7 Wirbelzähler (Vortexzähler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.5.8 Wirkdruckmessverfahren mit Messblende, Messdrossel oder Messdüse . . . . . . . . 163
7.5.9 Schwebekörpermessverfahren (Rotameter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Titelei.indd 6Titelei.indd 6 20.03.13 11:1320.03.13 11:13
7
Inhaltsverzeichnis
7.5.10 Ultraschall-Durchfl ussmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.5.11 Magnetisch induktive Durchfl ussmessung (MID) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.5.12 Thermische Durchfl ussmessung mit Hitzdraht oder Thermistor . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.5.13 Coriolis-Massenstrommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.5.14 Bandwaage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.5.15 Strömungsüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.6 Analysenmessverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.6.1 Gaschromatografi e (GC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.6.2 pH-Wert-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.7 Sonstige Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8 Steuerungen in Chemieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.2 Vorwärtssteuerung (Offene Steuerung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.3 Verknüpfungssteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.4 Ablaufsteuerung (GRAFCET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.5 Darstellungen von Steuerungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9 Regelungen in Chemieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
9.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
9.2 Stetige Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
9.3 Unstetige Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.3.1 Zweipunktregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.3.2 Dreipunktregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
9.4 Fuzzy-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.5 Charakteristiken von Regelstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.5.1 Durchfl ussregelstrecke an einer offenen Rohrleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.5.2 Flüssigkeitsspeicher mit Zu- und Abfl uss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.5.3 Rührbehälter mit Rohrschlangenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.5.4 Rührbehälter mit Mantelheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
9.6 Beispiele für Regelungsaufgaben in Chemieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.6.1 Füllstandsregelung eines durchströmten Vorratsbehälters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
9.6.2 Druckregelung an einem Gasspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
9.6.3 Durchfl ussregelung durch Drosselung des Volumenstromes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
9.6.4 Durchfl ussregelung mit Rücklaufstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.6.5 Durchfl ussregelung mit Drehzahlverstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.6.6 Temperaturregelung an einem Wärmetauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9.6.7 Temperaturregelung an einem Rührreaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.6.8 Druckregelung an einem Kreiselverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.6.9 Kaskadenregelung zur Behältertemperierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Titelei.indd 7Titelei.indd 7 20.03.13 11:1320.03.13 11:13
8
Inhaltsverzeichnis
9.6.10 Produktqualitätsregelung am Kopf einer Rektifi kationskolonne . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.6.11 Kaskadenregelung zur Kolonnentemperierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.6.12 Split-Range-Druckregelung an einem Tank oder einem Gasspeicher . . . . . . . . . . . . 241
9.6.13 Kombinierte Split-Range- und Kaskadenregelung zur Reaktortemperierung . . . . . . 241
9.6.14 Umsatzregelung an einem Gasphasenreaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.6.15 Split-Range-Regelung zur kontinuierlichen Neutralisation einer Flüssigkeit . . . . . . 243
9.6.16 Durchfl ussverhältnisregelung zweier Stoffströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.6.17 Folgeregelung eines Gas-Luft-Gemisches an einem Industrieofen . . . . . . . . . . . . . . 244
9.6.18 Komplexe Regelung einer Rektifi kationskolonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10 Typische Aktoren in Anlagen der stoffwandelnden Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.2 Stellorgane (Klappen, Hähne, Schieber, Ventile) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
10.3 Antriebe für Stellorgane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.3.1 Pneumatische Stellantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.3.2 Hydraulische Stellantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
10.3.3 Elektrische Stellantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
10.3.3.1 Elektromagnetische Stellantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
10.3.3.2 Elektromotorische Stellantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
10.4 Zusammenwirken von Stellventil und Rohrleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
10.5 Relais und Schütze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.6 Antriebsmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.6.1 Wichtigste Motortypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.6.1.1 Drehstrom-Asynchronmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.6.1.2 Drehstrom-Synchronmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
10.6.1.3 Gleichstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
10.6.1.4 Vergleich von Drehstrom-Asynchron- und Gleichstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
10.6.2 Drehrichtungs- und Drehzahländerung von Elektromotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
10.6.2.1 Drehrichtungsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
10.6.2.2 Drehzahländerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11 Automatisierte Rezeptursteuerung (Batch-Prozesse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.2 Von der Teilaktivität zum Rezeptabschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.3 Die Grundfunktionen als Hauptbausteine der Rezepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
11.4 Zusammensetzen der Grundfunktionen zu größeren Rezeptbausteinen . . . . . . . . . 284
11.5 Komplexbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
11.6 Batch-Prozesse und Computersoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
11.7 Die innere Logik der Grundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Titelei.indd 8Titelei.indd 8 20.03.13 11:1320.03.13 11:13
9
Inhaltsverzeichnis
12 Grundlagen der Digitaltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
12.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
12.2 Die Bedeutung des Begriffes „digital” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
12.3 Paralleler und serieller Transport digitaler Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
12.4 Nullen und Einsen zum Verschlüsseln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.5 Busse und Speicherzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
12.6 Logische Grundschaltungen ohne Speicherverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
12.7 Schaltungen mit Speicherverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
12.8 Die Addition eines Bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
12.9 Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
12.10 Analog-Digital-Umsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
12.11 Digital-Analog-Umsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
13 Planung, Konfi gurierung und Inbetriebnahme von Prozessleitsystemen . . . . . . . . 338
13.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
13.2 Fließbilderstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
13.3 Apparatedimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
13.4 Ermittlung von Anzahl und Typ der I/Os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
13.5 Auswahl der Feldtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.6 Wahl des digitalen Teils des Prozessleitsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
13.7 Leistungsabschätzung des Bus-Systems und der Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
13.8 Detailplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
13.9 Konfi gurierung der Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
13.10 Kopieren und Laden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
13.11 Der Loop-Check . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
13.12 Zusammenfassung der Teilschritte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
14 Erstellung von Anlagensimulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.2 Vorgehensweise bei der Erstellung von Simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
15 Instandhaltung und Fehlersuche in der Prozesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
15.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
15.2 Fehlerursachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
15.2.1 Prozessbedingte Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
15.2.2 Verschleißbedingte Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
Titelei.indd 9Titelei.indd 9 20.03.13 11:1320.03.13 11:13
10
Inhaltsverzeichnis
15.2.3 Alterungsbedingte Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
15.2.4 Hardwarefehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
15.2.5 Softwarefehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
15.2.6 Subjektive Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
15.3 Eingrenzung der Fehlerursachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
15.4 Fehlersuche unter Nutzung der Loop-Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
16 Sicherheitsaspekte der Prozestechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
16.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
16.2 Die Prozessleittechnik im Sicherheitskonzept der Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
16.3 Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Redundanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
16.4 Mehrfachauslegung von Schlüsselbaugruppen des Prozessleitsystems . . . . . . . . . 392
16.5 Prozessleittechnik und Explosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
16.5.1 Voraussetzungen für Explosionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
16.5.2 Einführung wichtiger Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
16.5.3 Explosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
16.5.4 Zündschutzarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
16.5.5 Die Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
16.5.6 Die Zündschutzart „Eigensicherheit“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
16.5.7 Kennzeichnung von Betriebsmitteln hinsichtlich des Explosionsschutzes . . . . . . . . 407
16.6 Datensicherheit, Datenschutz und Bedienberechtigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
16.6.1 Datensicherheit und Bedienberechtigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
16.6.2 Datenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
17 Die Verantwortung der Beschäftigten der Chemieindustrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
Englische Fachbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
Verzeichnis der für das Fachgebiet wichtigsten Normen und Standards . . . . . . . . 419
Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
Bildquellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
Titelei.indd 10Titelei.indd 10 20.03.13 11:1320.03.13 11:13
85
5.4 Fließbilddarstellung
O2
AI406.1
Kennzeichnung und Darstellung von PCE-Aufgaben nach DIN EN 62424
Darstellung weiterer Informationen zur PCE-Aufgabe
Darstellung des Ortes der Bedienoberfläche
Beispiele
L1
O
OH
Oval zur Darstellung der PCE-Aufgabe(„PLT-Stellen-Symbol”)
(PCE – engl. Process control engineering:ingenieurtechnische Auslegungder Prozessleittechnik)
PCE-Kategorie(Erstbuchstabe)
PCE-Verarbeitungsfunktion(en)(Folgebuchstaben)
Referenzkennzeichnung(PLT-Stellen-Nummer)
TIC406.1
AHAHHZHH
SLALLZLL
Ausgabe / Bedienungan zentralem Leitstand
oder in zentralerMesswarte
TI116A
Ausgabe / Bedienungam Schaltpult vor Ort
oder an einemlokalen Leitstand
TI
116A
In der Praxis derzeitnoch weit verbreitet:
Realisierung durchProzessleitsystem
TI116A
FQI
406.1
FIQI
406.1
WI
406.1
AL
TICR406.1
PIC
FFC406.1
Beispiel:Örtliche Drehzahlanzeigeohne Berücksichtigung imNummerierungssystem
SI
AI
Ausgabe /Bedienungvor Ort(lokal)
TI116A
Durchfluss-/Dosier-mengenanzeigeam örtlichen Leitstand
Temperaturanzeige in der Messwartemit Trendaufzeichnung (Registrierung),
Regelungsfunktion sowieAlarmfunktion bei Unterschreitung
Regelung des Durchflussverhältnisseszweier Stoffströme mit Messwertanzeige
in einer Messwarte
Druckregelung mit Alarmierungs-und Noteingriffsfunktion bei
Überschreitung von Grenzwerten
PCE-Leitfunktion (mit Anzeigemöglichkeit in derMesswarte) als Verknüpfung von PCE-Aufgaben;
dafür ist in der Regel eine beschreibendeDokumentation erforderlich.
Beispiel einer Split-Range-Regelung auf Seite 229
Ausnahme: PCE-Kategorie alleinstehend(optische Füllstands-anzeige vor Ort)
Anzeige einer Gewichtskraft(z.B. einer dosierten Menge)mit optischer Anzeige beiGrenzwertüberschreitungam örtlichen Leitstand
Anzeige des Sauerstoff-gehaltes eines Gases vorOrt, mit Fernübertragungin eine zentrale Messwarte
Unter-Lieferant Kennzeichnung, wennsicherheitsrelevant
Kombigerät für Viskosität,Dichte und Durchfluss
Kennzeichnung,wenn GMP-relevant
Kennzeichnung, wenn qualitätsrelevantGeräte-Informationen
Typical-Kennzeichnung(wenn die Ausführung einemhäufig vorhandenen Musterentspricht)
AI406.1
FI406.1
DI406.2
AHAHHZHH
SLALLZLL
XI406.3
Rockwell
ViskositätAna 1.2
pH, SL2
Hinweis: Bei sehr langen PLT-Stellen-Nummern werden nur die letzten Stellen eingezeichnet
Hinweis:
Auf den Bildschirmanzeigen an den Monitoren derProzessleitsysteme wird oft zugunsten der Bedien-Ergonomie vonder normgerechten zeichnerischen Darstellung abgewichen.
406.1
UI001
AHZHH
Bild 1: Benennung der prozessleittechnischen Einrichtungen (der „EMSR-Stellen”) in den verfahrenstechni-
schen Fließbildern und in den Monitordarstellungen der Prozessleitsysteme, gemäß DIN EN 62424
Kapitel-5.indd 85Kapitel-5.indd 85 14.03.13 10:1514.03.13 10:15
86
5 Bedienen und Beobachten von Chemieanlagen mithilfe von Prozessleitsystemen
pH
Bedeutung der Kennbuchstaben für die Darstellung von PCE-Aufgaben (DIN EN 62424)
Beispiele
Erstbuchstabe(PCE-Kategorie)
Folgebuchstaben (PCE-Verarbeitungsfunktion)
AL
Temperaturanzeige mit Grenzwert-meldung bei zu hohem und zuniedrigem Wert, PLT-Stellennummer 11
Anzeige eines Analysenwertes(pH-Wert) mit Qualitäts- undGMP-Relevanz, PLT-Stellennummer 01
A Analyse
B Flammenüberwachung
D Dichte
E Elektrische Spannung
F Durchfluss (engl. „flow”)
B Beschränkung, Eingrenzung
C Regelung (engl. „control”)
D Differenz
I Analoganzeige
R Registrierung, Aufzeichnung
Y Rechenfunktion
X Frei verfügbarer Buchstabe
Q Integration oder Summen-bildung (Aufsummierungvon kleinen Teilbeträgen)
A Alarmierung,Grenzwertmeldung
H Bei Erreichen des oberenGrenzwertes
L Bei Erreichen des unterenGrenzwertes
I Analoganzeige
S Binäre Steuerungsfunktionoder Schaltfunktion
Z Binäre Steuerungsfunktionoder Schaltfunktionmit Sicherheitsrelevanz(Noteingriff)
O Optische Anzeige,Statusanzeige vonBinärsignalen
G Abstand, Länge, Stellung
H Handeingabe, Handeingriff
J Elektrische Leistung
L Füllstand oder Trennschicht-stand (engl. „level”)
M Feuchtigkeit (engl. „moisture”)
N Motor
P Druck (engl. „pressure”)
Q Menge, Anzahl, Quantität
R Strahlungsgrößen („radiation”)
S Geschwindigkeit, Drehzahl,Frequenz (engl. „speed”)
T Temperatur
U Leitfunktion (komplexeInformationsverarbeitung)
V Schwingung / Vibration
W Gewicht (engl. „weight”)
Y Stellventil, Stellungsvorgabe
X Frei verfügbarer Buchstabe
AI01
Hinweise:
• Fehlt der Querstrich im PLT-Stellen-Symbol, handelt es sich um eine örtliche Funktion (z. B. Anzeige direkt an einem Behälter).
• Die Kennbuchstaben für die PLT-Stellen sind nicht zu verwechseln mit den Ausrüstungsbezeichnungen wie z. B. HV 11 für Handventil Nr. 11!
• Die Kennbuchstaben sind ebenfalls nicht zu verwechseln mit den Formelzeichen für Sollwert (w ), Stellwert (y ) und Störgröße (z )!
• Die Länge und Gliederung der Referenzkennzeichnung (PLT-Stellen- Nummer) sind nicht genormt, sondern werden betriebsintern festgelegt.
• In den Unternehmen existieren vielfach noch die älteren Dokumentationen nach der nicht mehr gültigen DIN 19227. Dort erfolgt die Darstellung der PLT-Aufgaben mit kreisförmigen Symbolen, den „MSR-Stellen-Kreisen”.
TI11
AH
SL
Druckdifferenz-Anzeigemit Schaltfunktion,PLT-Stellennummer 23
PDI23
SH
Ein- und Ausschaltung per Hand,PLT-Stellennummer 406.1
H406.1
Innerhalb des Ovals Außerhalb des Ovals
FQI304.C
SHDurchfluss-Summierung mit Anzeigeund Abschaltfunktion (aus z.B. 3 Liter proSekunde werden durch die Summierungüber 60 Sekunden 180 Liter),PLT-Stellennummer 304.C
PIRC304.C
AHZHH
ALZLL
Anzeige, Registrierung und Regelung eines Druckes.Alarmierung bei zu hohem und bei zu niedrigemWert. Notabschaltung (sicherheitsrelevant) beiExtremwerten, PLT-Stellennummer 02.301.A
Bild 1: Unterschiedliche Gestalt der EMSR-Stellen-Kennzeichnung gemäß DIN EN 62424
Kapitel-5.indd 86Kapitel-5.indd 86 14.03.13 10:1514.03.13 10:15
158
7 Messtechnik
7.4.9 Füllstands-Grenzwertüberwachung
Auch das Über- oder Unterschreiten bestimm-ter Füllstände lässt sich mit Hilfe der beschrie-benen Messverfahren überwachen.
Die Software der Prozessleitsysteme kann so konfiguriert werden, dass bei bestimmten Füllständen Alarme bzw. zunächst Voralarme ausgelöst werden oder bestimmte Schalthand-lungen erfolgen.
Wenn es der Prozess jedoch nicht erfordert, eine genaue Messung des Füllstandes vorzu-nehmen, können einfache Grenzwertsensoren eingesetzt werden. Diese preiswerten Senso-ren liefern binäre Signale wenn der Behälter zum Beispiel voll oder nicht voll bzw. leer oder nicht leer ist.
Bild 1 veranschaulicht drei Signalaufnahme- Prinzipien, während Bild 2 vier unterschiedli-che industrielle Ausführungen von Füllstands- Grenzwertschaltern zeigt.
7.5 Durchflussmessung des
Massen- oder Volumenstromes
Durchflussmessgeräte werden bei Flüssig-keitsströmen, bei Gasströmen und aber auch bei Strömen von Schüttgütern eingesetzt.
Die entsprechende, vom Prozessleitsystem an-gezeigte Größe trägt demnach die SI-Maßein-heit kg/s oder m3
/s. Die abgeleiteten Maßein-heiten können zum Beispiel auch in t/h, l/min oder auch in mol/s angegeben sein.
Wenn der gemessene Stoffstrom vom Trans-mitter oder von der Software des Prozessleit-
Grenzwertschalter werden aufgrund von Si-cherheitsaspekten oft auch zusätzlich zur ei-gentlichen Füllstandsmessung eingesetzt.
Eine vielfach verwendete Form sind seitlich eingeschraubte Schwimmergrenzschalter mit kurzem Hebelmechanismus. Außerdem gibt es berührungslos arbeitende kapazitive oder induktive Füllstandssensoren, bei denen ein spulenartiges System oder ein „aufgeklappter” Kondensator in einer Kunststoffhülse vergos-sen sind.
Allein durch die Annäherung der Flüssigkeit an einen solchen Sensor ändert sich dessen Induk-tivität bzw. Kapazität, was die angeschlossene Auswerteelektronik veranlasst, ein angelegtes 24 V Spannungssignal entweder hindurchzu-lassen oder zu sperren.
Daneben sind optoelektronische Grenzschal-
ter im Einsatz, die den unterschiedlichen Bre-chungsindex von Flüssigkeit und Gas aus-nutzen, sowie Vibrationsgrenzschalter. Diese gleichen elektrisch betriebenen Stimmgabeln, deren periodische Auslenkungen bei Flüssig-keitsbenetzung stark gedämpft werden. Dies erhöht den nötigen Stromfluss, um den elek-trischen Antrieb der Stimmgabeln zu realisie-ren. Das letztgenannte Verfahren wird auch zur Dichtemessung verwendet.
Merksatz
Füllstands-Grenzwertschalter liefern als bi-näres Signal eine Information darüber, ob sich Flüssigkeit in der Nähe des Sensorsbefi ndet oder nicht.
Merksatz
Durchfl ussmessungen ermitteln den mo-mentan durch eine Rohrleitung strömen-den Massenstrom oder Volumenstrom.
MSensor fürHoch-Alarm
Sensor fürTief-Alarm
Schwimmer-Grenzwertgeber
Vibrations-Grenzwertsensor
Kapazitiver Grenzwertgeber VergosseneKondensator-Elektroden
Bild 1: Funktionsprinzipien von Grenzwertsensoren
Mit Schwimmer Kapazitiv
InduktivMit Vibration
Bild 2: Vier Ausführungsformen von Grenzwert-
schaltern
Kapitel-7.indd 158Kapitel-7.indd 158 15.03.13 13:2815.03.13 13:28
159
7.5 Durchfl ussmessung des Massen- oder Volumenstromes
in Teilvolumina zerlegt, die in Bild 1 bei jeder Umdrehung von der Einströmseite links zur Ausströmseite rechts bewegt werden.
Je größer der Volumenstrom ist, der durch die Messeinrichtung gefördert wird, desto mehr Teilvolumina müssen bewegt werden unddesto schneller dreht sich das Ovalradpaar.
Mindestens eines der Zahnräder enthält klei-ne Permanentmagnete, sodass an einem an der Außenseite des Gehäuses angebrachten induktiven Sensor elektrische Impulse erzeugt werden, deren Anzahl pro Zeit ein Maß für die Drehzahl und damit für den Volumenstrom ist. Als Sensoren finden dabei kleine Spulen Ver-wendung, die im beweglichen Magnetfeld eine Spannung induzieren.
Nach geeigneter Signalumformung im ange-bauten oder im Schaltschrank befindlichen Transmitter kann das Signal dem Prozessleit-system zugeführt werden.
Bild 2 zeigt eine industrietypische Ausführung eines Ovalradzählers.
Das Prinzip der Umwandlung des Volumen-stromes in eine Drehzahl findet auch bei an-deren Volumenmessgeräten Verwendung, bei denen die rotierenden Bauelemente lediglich eine andere Gestalt haben.
Merksatz
Ovalradzähler enthalten zwei drehbar gela-gerte ellyptische Zahnräder, die durch den Strömungsdruck in Drehbewegung versetzt werden.
systems mit der Zeit multipliziert wird, ergibt sich die Menge, die im Laufe der Zeit bereits durchgeströmt ist, also die dosierte Masse oder das dosierte Gesamtvolumen.
Im Fließbild trägt die zugehörige Messstelle dann statt der Buchstabenkombination FI die Bezeichnung FQI (engl. flow quotilization and indication: Durchflusszerlegung und Anzeige). Statt der Einheit kg/s ergibt sich dann zumBeispiel nur kg.
Die folgenden Kapitel beschreiben die wich-tigsten Messgeräte für die Durchflussmessung.
7.5.1 Ovalradzähler
Im Ovalradzähler zur Durchflussmessung werden zwei miteinander kämmende ovale Zahnräder durch den Druck des strömendenMe diums in eine Drehbewegung versetzt.
Die verzahnte Außenseite der Ovalräder läuft sehr dicht an der speziell geformten Ge-häuseinnenwand entlang. Dies zeigt Bild 1.
Durch die Außenseite der Zahnräder und die Innenseite des Gehäuses wird die Flüssigkeit
Hinweis
Der Begriff „Zähler” für einige Volumen-strom-Messgeräte hat keinen konsequen-ten technischen Hintergrund, sondern ist historisch entstanden. Teilweise verfügten diese Geräte früher über mechanische Zähl- und Anzeigewerke, teils addieren („zählen“) sie bestimmte Teilvolumina, in welche der Volumenstrom zerlegt wird. Teils basieren sie auch auf der Ermittlung einer bestimm-ten Menge (Anzahl) von Wirbeln, wie beim Vortex-Zähler.
1 2 3
4 5 6
Bild 1: Prinzip der Durchfl ussmessung mit einem
Ovalradzähler
Bild 2: Ausführung eines Ovalradzählers
Kapitel-7.indd 159Kapitel-7.indd 159 15.03.13 13:2815.03.13 13:28
190
8 Steuerungen in Chemieanlagen
Tabelle 1: Beispiele für Transitionen
Prozessabhängige
Transitionen
Zeitabhängige
Transitionen
Start„Starttaster betätigen“
2s/X3„Wartezeit: 2 Sekunden“
LI 001„erreichter Füllstand“
30 min/X15„Rührzeit: 30 Minuten“
Auch mehrere Transitionsbedingungen können zum Weiterschalten in den nächsten Prozess-schritt erforderlich sein. Hierzu sind logische Verknüpfungen notwendig, die genau darstel-len, wie diese Bedingungen zusammenwirken sollen.
Zum Beispiel kann es erforderlich sein, dass zum Weiterschalten in den nächsten Prozess-schritt eine Wartezeit abgelaufen UND eine Reaktionstemperatur erreicht sein muss. Ein zweites Beispiel wäre, dass man den nächsten Prozessschritt startet mit einem Starttaster di-rekt an der Anlage ODER durch einen visuel-len Startbutton auf einer Bedienoberfl äche in der Leitstelle. Diese logischen Funktionen und Beispiele für Transitionen sind in Bild 1 darge-stellt.
Auf der Seite 187 ist im Beispiel die Aufgaben-beschreibung für eine Ablaufsteuerung in einem Rührbehälter erläutert. Das folgende Beispiel gibt an, wie die Schritte, Wirklinien und die Transitionen nach GRAFCET aufgebaut werden.
Initialschritt (vgl. Seite 188). Es werden so-mit für das Beispiel vier Schritte benötigt.
Als nächstes werden die Transitionen, die zum Weiterschalten in den nächsten Schritt führen sollen, aus der Aufgabenstellung zu-sammengetragen. Auf diese Weise entsteht der GRAFCET-Plan. Die Transitionen sind rot dargestellt (Bild 2).
Die Ablaufsteuerung befi ndet sich zu Be-ginn im Initialschritt 1.
Wird der Starttaster START betätigt und der Vorlagebehälter ist gefüllt (LI 001=”1”), dann wird der Schritt 2 „Füllen des Rührbe-hälters B3” aktiv. Sofort wird der Schritt 1 durch den aktiven Schritt 2 zurückgesetzt.
Meldet der Füllstandssensor LI 003, dass der Rührbehälter B3 gefüllt ist, wird in den Schritt 3 „Rühren des Produktes” geschal-tet und der Schritt 2 wird sofort zurück-gesetzt.
Ist die Rührzeit (60s/X3 ) abgelaufen, wird der Schritt 4 „Entleeren Rührbehälter“ ak-tiv und sofort wird der Schritt 3 rückgesetzt.
Logische Funktion
UND-Funktion
ODER-Funktion
• oder *
+
Bedeutung
Beispiel Erklärung
Start + Startbutton
LI 001 • LI 002LI 001 erreicht UNDLI 002 nicht erreicht
Starttaster ODERStartbutton betätigen
Bild 1: Logische Funktionen für Transitionen
"Füllen des Rührbehälters"2
"Initialschritt"
("Starten")
("B3 voll")
("Timer 1")
("B3 leer")
2
4 "Entleeren des Rührbehälters"
"Rühren des Produkts"
Start • LIS 001
LI 003
60s / X3
LI 002
1
3
Bild 2: GRAFCET-Plan für den Rührbehälter
Beispiel
Beim Erstellen der Schritte muss zuerst festgelegt werden, wie viele Prozessschrittenötig sind. In der Aufgabenstellung sind drei Schritte genannt. Darüber hinaus beginnt eine Ablaufsteuerung immer mit einem
Kapitel-8.indd 190Kapitel-8.indd 190 14.03.13 10:2714.03.13 10:27
191
8.4 Ablaufsteuerung (GRAFCET)
Die Aktionen sind durch GRAFCET wie folgt defi niert: Die Aktionen beschreiben Ausgänge (Stellgrößen), welche durch die Schritte akti-viert oder deaktiviert werden sollen.
Eine Aktion wird in einem Rechteck rechtsneben dem entsprechenden Schritt dargestellt.
Die Aktion wird mit dem entsprechenden Schritt durch eine Linie verbunden.
Aktionen werden in mehrere Arten unterteilt.
Eine kontinuierlich wirkende Aktion zeich-net sich dadurch aus, dass sie nur solange aktiv ist, wie der Schritt selbst. Z. B. soll eineMeldeleuchte die Startbereitschaft der Anlage anzeigen, nur solange der Initialschritt aktiv ist.
Die kontinuierlich wirkende Aktion erkennt man am einfachen Rechteck, in welchem nur der Name der Aktion (z. B. Pumpe P1) einge-tragen wird.
Darüber hinaus können Randbedingungen diese Aktionen beeinfl ussen. In Bild 1 sind die möglichen Varianten hierfür aufgeführt.
Meldet der untere Füllstandssensor (LI 002) im Rührbehälter B3, dass dieser entleert ist, schaltet die Steuerung wieder in denInitialschritt (Wirklinie führt nach oben) und sofort wird der 4. Schritt rückgesetzt.
Die Steuerung verharrt nun solange imInitialschritt, bis der Starttaster wieder be-tätigt wird. Die Ablaufsteuerung würde nun erneut schrittweise bearbeitet werden.
Aktion Darstellung Beschreibung Signal-Zeit-Diagramm
KontinuierlichwirkendeAktion
KontinuierlichewirkendeAktion mitBedingung
VerzögertekontinuierlichwirkendeAktion
ZeitbegrenztekontinuierlichwirkendeAktion
Aktion wird Wert "1"zugewiesen, solangezugehöriger Schrittaktiv ist.
Aktion wird Wert "1" zu-gewiesen, solange zu-gehöriger Schritt undBedingung erfüllt sind.
Aktion wird Wert "1" zu-gewiesen, wenn zuge-höriger Schritt aktiv istund eine Zeit abge-laufen ist.
Aktion wird Wert "1" zu-gewiesen, wenn zuge-höriger Schritt aktiv istund solange die Zeitläuft.
Ventil V152s / X5
Ventil V132s / X3
Ventil V111LI 001
Ventil V17
Ventil V1
LI 001
Zeit t
Schritt 11
0
0
0
1
1
1
Zeit t
Schritt 7
Ventil V10
0
1
1
Ventil V1 Zeit t
Zeit t
Schritt 6
0
0
1
1
Ventil V1 Zeit t
Schritt 3
Zeit t
0
0
1
1
Bild 1: Darstellung der kontinuierlich wirkenden Aktionen
Kapitel-8.indd 191Kapitel-8.indd 191 14.03.13 10:2714.03.13 10:27
192
8 Steuerungen in Chemieanlagen
Bei einer speichernd wirkenden Aktion können die Befehle über mehrere Schritte aktiv bleiben. Das ist z. B. erforderlich, wenn ein Kühlkreis-lauf zur Kühlung eines Reaktors über mehrere Schritte aktiv bleiben muss.
Diese Aktionen erkennt man am Rechteck links durch unterschiedliche Pfeile. Randbedingun-gen können ebenfalls das Verhalten der Aktion beeinfl ussen.
Wird eine Aktion gesetzt, wird dies in der Ak-tion hinter dem Aktionsnamen mit :=1 darge-stellt. Wird eine Aktion zurückgesetzt, wird dies mit :=0 gekennzeichnet. Somit kann im GRAF-CET genau nachvollzogen werden, wann eine Aktion gesetzt und wann sie zurückgesetzt wird.
In Bild 1 sind diese Aktionen beschrieben.
Hinweis
Die abgebildeten Signal-Zeit-Diagramme sind kein Bestandteil vom GRAFCET. Sie dienen hier nur zum besseren Verständnis der Aktionen.
Merksatz
Unter Aktionen versteht man das Ansteu-ern von Ausgängen (Stellgrößen) durch die Schritte.Man unterscheidet dabei kontinuierlich
wirkende Aktionen, die in Abhängigkeit des aktiven zugeordneten Schrittes ange-steuert werden, und speichernd wirkende
Aktionen, die über mehrere Schritte aktiv bleiben.
Aktion Darstellung Beschreibung Signal-Zeit-Diagramm
LI 003
LI 002
Ventil V1
Schritt 4
Zeit tSchritt 8
Schritt 8
0
0
0
1
1
1
Zeit tSchritt 7
Ventil V1
0
0
1
1
0
1
Ventil V1 Zeit t
Schritt 11
Schritt 13
Schritt 17
0
0
0
1
1
1
Ventil V1 t
Schritt 3
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
Aktion wird gesetzt (:=1);rückgesetzt (:=0), wennSchritt verlassen wird.
SpeicherndwirkendeAktion beiAktivierungdes Schrittes
Speicherndwirkende Aktionbei Deakti-vierung desSchrittes
Speicherndwirkende Aktionbei Ereignis
VerzögertspeicherndwirkendeAktion
Aktion wird ausgeführt,wenn Schritt aktiv undZeit abgelaufen ist. 2 Sekunden
Aktion wird gesetzt (:=1);rückgesetzt (:=0), wennSchritt aktiv ( ) wird.
Aktion wird ausgeführt,wenn Schritt aktiv undEreignis ( ) eintritt.2. Pfeil: Ereignis wirdaktiv ( ) bzw. deaktiv ( ).
Ventil V1:=08
Ventil V1:=14
Ventil V1:=07
Ventil V1:=13
Ventil V1:=1132s / X13
Ventil V1:=01711s / X17
Ventil V1:=011LI 003
Ventil V1:=18LI 002
11 Sekunden
Bild 1: Darstellung der speichernd wirkenden Aktionen
Kapitel-8.indd 192Kapitel-8.indd 192 14.03.13 10:2714.03.13 10:27
193
8.4 Ablaufsteuerung (GRAFCET)
Jedem Schritt können eine oder mehrere Ak-tionen zugewiesen werden. Das ist notwendig, wenn in einem Prozessschritt z. B. ein Mag-netventil und eine Pumpe angesteuert werden sollen.
GRAFCET hält hierfür mehrere Darstellungs-möglichkeiten bereit. In Bild 1 ist die am häu-fi gsten verwendete Darstellung zu sehen.
Mit Hilfe des erstellten GRAFCET-Planes kann die Programmierung der Ablaufsteuerung rea-lisiert werden. Die Hersteller von Automatisie-rungsgeräten erstellen die Programme mit einer dafür speziell entwickelten Programmier-software. Die Steuerungen der Firma Siemens werden mit der Programmiersprache STEP 7, die Steuerungen der Firma Beckhoff mit der Software TwinCAT programmiert (vgl. Kap. 8.5, Seite 198).
Im obigen Beispiel wurde eine lineare Ablauf-
struktur (auch Ablauf- oder Schrittkette) auf-gebaut. Das ist die einfachste Ablaufstruktur. Dabei werden die Schritte einzeln nacheinan-der bearbeitet, aber nur wenn die darüber ste-hende Transition erfüllt ist.
Auch Alternativverzweigungen oder Parallel-
verzweigungen können aufgebaut werden.
Die Alternativverzweigung erlaubt das Ab-arbeiten eines von zwei oder mehreren Teilab-läufen. Nach der Verzweigung stehen an den Wirklinien der einzelnen Teilabläufe entspre-chende Transitionen. Die Transition, die zuerst erfüllt ist, leitet den Ablauf des jeweiligen Teil-ablaufes ein.
Hinweis
Zu beachten ist, dass die Reihenfolge meh-rerer Aktionen von einem Schritt keine zeit-
liche Reihenfolge bedeutet! Die Ablaufsteu-erung wird durch die Steuerung (z. B. SPS) zyklisch bearbeitet. (vgl. Kap. 12.9, Seite 329).
5 Aktion 1 Aktion 2 Aktion 3: = 0
2s / X5
Bild 1: Ein Schritt mit mehreren Aktionen
1 "Initialschritt"
2
3
4
Ventil V1 Pumpe P1
Rührer M1
Ventil V2
Start • LI 001
LI 003
60s / X3
LI 002
"Füllen Behälter B3"
"Rühren im B3"
"Entleeren B3"
("Starten")
("B3 voll")
("Zeit")
("B3 leer")
Bild 2: GRAFCET- Plan mit Aktionen für den
„Rührbehälter“Beispiel
Für das Beispiel „Rührbehälter“ von Sei-te 187 und 190 sollen die Aktionen ergänzt werden.Im Initialschritt wird im Beispiel keine Ak-tion realisiert. Man könnte aber Ausgänge, die vorher gesetzt wurden, zurücksetzen. Des Weiteren könnten Meldeleuchten, die den Ausgangszustand der Anlage darstel-len, angesteuert werden.Im Schritt 2 „Füllen des Rührbehälters“ werden als kontinuierlich wirkende Akti-onen die Pumpe P1 und das Ventil V1 an-gesteuert. Wird der Schritt durch die Steu-erung deaktiviert, werden diese Aktionen ausgeschaltet.Im Schritt 3 „Rühren des Produktes“ wird der Rührwerksmotor M1 kontinuierlich wir-kend angesteuert.Im Schritt 4 wird das Ventil V2 kontinuier-lich wirkend angesteuert.Nun ist die Ablaufsteuerung im GRAFCET (Bild 2) für den Rührbehälter vollständig und stellt die Abfolge der einzelnen Pro-zessschritte sowie die jeweiligen Aktionen (blau dargestellt) dar.
Kapitel-8.indd 193Kapitel-8.indd 193 14.03.13 10:2714.03.13 10:27
194
8 Steuerungen in Chemieanlagen
Die Alternativverzweigung erkennt man an der einzelnen Linie der Verzweigung. Das Prinzip ist im Bild 1 dargestellt.
Die Alternativverzweigung ist wie eine ODER-Verzweigung zu verstehen. Ist die Transition des ersten Teilablaufes erfüllt, wird dieser Zweig bearbeitet ODER wenn die Transition des zweiten Teilablaufes zuerst erfüllt ist, wird der zweite Teilablauf realisiert. Beide Teilab-läufe können nicht gleichzeitig bearbeitet wer-den. Dies wird durch die Steuerung (z. B. SPS) verhindert.
Die Teilabläufe können je nach Aufgabe unter-schiedlich lang sein. Damit ein Alternativzweig bearbeitet werden kann, muss er mit einer Transition beginnen und mit einer Transition enden.
nachrühren. Nach den jeweiligen Nach-rührzeiten wird das Produkt wie im GRAF-CET des Beispiels von Seite 190 aus dem Rührbehälter B3 abgelassen.
Der GRAFCET-Plan für diese Alternativ-verzweigung zweier Teilabläufe ist im Bild 3 dargestellt.
Beispiel
Die Aufgabenstellung von Seite 187 wird nun wie folgt erweitert:
Der „Rührbehälter“ wird mit einem zweiten Vorlagebehälter, wie in Bild 2 ersichtlich, ver-sehen. Diese zweite Vorlage B2 hat ein Fas-sungsvermögen von 3 L des Produktes A.
Je nach Charge kann 1 L des Produktes A aus der Vorlage B1 mittels Starttaster START ODER 3 L des Produktes A aus der Vorlage B2 mittels eines zweiten Start-tasters START1 in den Rührbehälter abge-lassen werden.
Für das Füllen über die Vorlage B2 ist das Ventil V3 anzusteuern. Im Rührbehälter B3 wird das Füllen über Vorlage B2 mit dem Füllstandssensor LI 004 ausgewertet.
Wurden 3 L in den Rührbehälter B3 abge-lassen, dann muss anschließend der Rühr-werksmotor M1 das Produkt 2 Minuten
4
5a
6
5b Aktion 6
Aktion 4
Aktion 5
Transition 3
Transition 4
Transition 6
Transition 8
Transition 5
Transition 7
Alternativ-verzweigung
Aktion 7:=1
Bild 1: Darstellung einer Alternativverzweigung
M1Rührwerks-motor M1
PumpeP1
Ventil V2
Ventil V3Ventil V1
LI005LI
001
LI
LI004
003
LI002
B1B2
B3
3 Liter1 Liter
Bild 2: „Rührbehälter“ mit 2 Vorlagebehältern
1 "Initialschritt"
2a
3a 3b
4
Ventil V1
Pumpe P1
Ventil V3
Pumpe P1
Rührer M1Rührer M1
Ventil V2
Start • LI 001
LI 003
60s / X3a
LI 002
"1 LiterProdukt A"
"1 Min.rühren"
"B3 leeren"
("Start:1 Liter")
("1 Liter")
("1 Min.")
("B3 leer")
("2 Min.")
("3 Liter")"2 Min.rühren"
Start 1 • LI 005
LI 004
120s / X3b
"3 LiterProdukt A"
("Start 1:3 Liter")
2b
Bild 3: GRAFCET-Plan für „Rührbehälter“ mit
Alternativverzweigung
Kapitel-8.indd 194Kapitel-8.indd 194 14.03.13 10:2714.03.13 10:27
390
16 Sicherheitsaspekte der Prozessleittechnik
SIL-Stufen werden nur den PLT-Schutzein-
richtungen zugeordnet. Reine Betriebs- und
Überwachungseinrichtungen erhalten keine SIL-Stufe, da sie nicht dem Eingriff bei gefahr-drohenden Zuständen dienen. Oftmals ist die Abgrenzung nicht ganz einfach, da die Pro-zesswerte meist fl ießend in den gefährlichen Zustand übergehen.
Eine Erhöhung der Sicherheit eines PLT-Sys-tems kann durch Mehrfachauslegung (Redun-
danz) erreicht werden. Dies geht jedoch nicht zwangsläufi g mit der gleichzeitigen Erhöhung von Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit einher.
Im nachfolgenden Beispiel einer PLT-Schutz-einrichtung (Bild 1, Seite 390 bis Bild 3, Sei-te 391) werden die Zusammenhänge zwischen Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit eines PLT-Systems näher erläutert. Dargestellt ist eine Hydrieranlage zur Entschwefelung von Heizöl.
Das Heizöl wird zusammen mit gasförmigem Wasserstoff als Zweiphasengemisch durch ei-nen Hydrierreaktor geleitet. Dieser enthält eine Katalysatorschüttung. An der Oberfl äche des Katalysators erfolgt die Reaktion der Schwe-felverbindungen zu Schwefelwasserstoff, der in die Gasphase übergeht. Im Kreislaufgas-Abscheider wird die Gasphase von der Flüs-sigphase getrennt, um mithilfe des Verdichters weiter im Kreislauf über das Katalysatorbett gefahren werden zu können.
Der Prozess läuft unter dem extrem hohen Druck von ca. 60 bar ab. Dieser Druck ist auch die antreibende Kraft für die Strömung des hy-
drierten Heizöls über den Wärmetauscher zum Tank.
Der Regler LIC 002 hält mithilfe des Ventils LV 02 den Füllstand im Abscheider konstant. Durch dieses Ventil erfolgt der Druckabbau von ca. 60 bar auf ca. 5 bar.
Bei einem Versagen von LIC 002, insbesondere beim fehlerhaften Öffnen von LV 02 kann der Füllstand im Abscheider so weit sinken, dass es zu einem Gasdurchschlag in Richtung Wär-metauscher und Tank kommt. Dabei gelangt schlagartig Wasserstoff unter hohem Druck zum Tank. Dort kann es zum Bersten, zu Brand oder zur Explosion kommen.
Zur Verhinderung dieses gefährlichen Zu-standes gibt es die PLT-Schutzeinrichtung LIZLL 001, die bei hoher Verfügbarkeit des verfahrenstechnischen Systems ein hohes Maß an Sicherheit gewährleisten soll. Nach-stehend wird untersucht, welche Auswirkun-gen eine Mehrfachauslegung (Redundanz) von Sensor und Aktor als Komponenten dieser PLT-Schutzeinrichtungen hat.
Merksatz
Unter Redundanz versteht man die Mehr-fachauslegung von Baugruppen zur Erhö-hung von Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Je nach Anzahl der vorhande-nen Baugruppen spricht man bei der Mehr-fachauslegung von PLT-Einrichtungen von einkanaliger oder mehrkanaliger Bauweise.
AHH
Kreislaufgas (Wasserstoff)
Kreislaufgas-verdichter
Ansaugvorlage(DEA-Tropfen-abscheider)Hydrier-
Reaktor
Wasch-behälter
(Absorption vonSchwefel-
wasserstoff)60bar
Kreislaufgas(Wasserstoff+ Schwefelwasserstoff)
5bar55bar
1bar
Heizgas
Flü
ssig
keit
Abgas
LV01
Kreislaufgas-Abscheider
LV02
PLT-Schutzeinrichtung wegen Gefahr desGasdurchschlags bei zu niedrigem Füllstand
LV03
Kühlwasser
Tank
Schwefelhaltiges Heizöl
Frischwasserstoff(”Make-up-Gas”)Frisches Absorptionsmittel(Diethanolamin-Lösung, DEA)
Entschwefeltes Heizöl
Mit Schwefelwasserstoffbeladenes Absorptiosmittel
Wärmetauscher
Hochdruck-Kreiselpumpe,mehrstufig
Vorwärmer(Wärmetauscher)
Röhren-ofen
Gas
ZHH
SIL2 ALLZLL
LI001
LIC001
Bild 1: Hydrieranlage mit PLT-Schutzeinrichtung
Kapitel-16.indd 390Kapitel-16.indd 390 14.03.13 10:5114.03.13 10:51
391
16.3 Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Redundanz
Bild 1 zeigt das Beispiel einer einkanaligen
Bauweise bei Sensor und Aktor. Messeinrich-tung und Stellorgan sind nur einmal vorhan-den. Wenn ein einzelnes Gerät ausfällt, funk-tioniert die gesamte Schaltung nicht mehr. Die Schaltung toleriert also keinen Ausfall einer Einzelkomponente. Bei ihr ist deshalb die so-
genannte Hardware-Fehlertoleranz gleich Null (HFT=0).
Bild 2 zeigt das Beispiel einer zweikanaligen
Bauweise bei den Sensoren. Je nach logischer Verknüpfung gibt es davon zwei Varianten:
1oo2-Schaltung („1 out of 2” bzw. „1 von 2”, d. h.eine Schaltung erfolgt, sobald einer von zwei Sensoren anspricht: LI 001 ODER LI 002) Sie funktioniert auch noch bei passivem Fehler eines Sensors (HFT=1). Nachteil: Sie spricht sofort an, sobald einer der Sensoren einen ak-tiven Fehler hat. Sie hat deshalb eine geringe-
re Verfügbarkeit als 1oo1, jedoch eine höhere
Zuverlässigkeit und gewährleistet deshalb ein höheres Maß an Sicherheit.
2oo2-Schaltung („2 out of 2” bzw. „2 von 2”, d. h.
Bild 3 zeigt das Beispiel einer dreikanaligen
Bauweise bei den Sensoren. Je nach logischer Verknüpfung gibt es davon drei Varianten:
1oo3-Schaltung („1 out of 3” bzw. „1 von 3”, d. h.die Schaltung erfolgt, sobald einer der drei Sensoren anspricht: LI 001 ODER LI 002 ODER LI 003) Sie funktioniert auch noch bei passivem Fehler eines oder zweier Sensoren (HFT=2). Nachteil: Sie hat eine noch geringere Verfüg-
barkeit als 1oo2, weil sie bereits beim aktiven Fehler eines Sensors anspricht.
3oo3- Schaltung („3 out of 3” bzw. „3 von 3”, d. h. eine Schaltung erfolgt erst, wenn alle drei Sensoren gleichzeitig ansprechen): LI 001 UND LI 002 UND LI 003. Bei passivem Fehler eines Sensors funktioniert sie nicht mehr (HFT=0), je-doch bei aktivem Fehler von bis zu 2 Sensoren.
2oo3-Schaltung („2 out of 3” bzw. „2 von 3”, d. h.die Schaltung erfolgt, wenn zwei von drei Sen-soren gleichzeitig ansprechen): (LI 001 UND LI 002) ODER (LI 002 UND LI 003) ODER (LI 001 UND LI 003). Sie funktioniert auch dann noch, falls ein einzelner Sensor einen passiven Feh-ler aufweist (HFT=1) oder auch einen aktiven Fehler. Diese Schaltung gewährleistet ein ho-
hes Maß sowohl an Zuverlässigkeit/Sicherheit
als auch an Verfügbarkeit.
Bild 3 zeigt außerdem die zweikanalige Bau-
weise bei den Aktoren (2oo2-Schaltung, d. h. es werden immer beide Schnellschlussventile gemeinsam angesteuert. Durch ihre Reihen-schaltung ergibt sich ein sicheres Absperren auch dann, wenn ein Ventil defekt ist.
die Schaltung erfolgt erst, wenn beide Sen-soren ansprechen: LI 001 UND LI 002). Bei Ausfall eines Sensors funktioniert sie nicht mehr (HFT=0), jedoch bei aktivem Fehler einesSensors.
Sensor:einkanalig
Aktor:einkanalig
LI001 ZLL
LV02Regelventil Schnellschlussventil
LV03
Bild 1: Einkanalige Bauweise
Wasserstoff-Abscheider
Sensoren:zweikanalig
Aktor:einkanaligLI
002 ZLL
ZLL
LV02Regelventil Schnellschlussventil
LV03
LI001
US004
Bild 2: Zweikanalige Bauweise
Wasserstoff-Abscheider
Sensoren:dreikanalig
Aktoren:zweikanalig
LI003 ZLLLI
002 ZLL
LV02Regelventil Schnellschlussventile
LV03 LV04
LI001 ZLL
US004
Bild 3: Dreikanalige Bauweise
Kapitel-16.indd 391Kapitel-16.indd 391 14.03.13 10:5114.03.13 10:51