CAE in der Prozessautomatisierung - TU Dresden€¦ · Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik CAE in der Prozessautomatisierung Instrumentierung,

Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

CAE in der Prozessautomatisierung

Instrumentierung, Hardwareplanung

SS 2014, 28.04.2013

Professur für Prozessleittechnik

Übersicht

• Instrumentierung – Gerätespezifikation

Eingangsdaten

Vorgehen

Ergebnisse (Dokumente)

• Hardwareplanung - Verdrahtung und Aufstellung

Eingangsdaten

Vorgehen


Urbas © 2014 CAE@PA Folie 2

Einführung


• NA35 - Abwicklung von PLT-Projekten

Einführung


• letzte Vorlesung

• Diese Vorlesung

Übersicht


Eingangsdaten

Vorgehen



Eingangsdaten

Vorgehen



Begriff Instrumentierung

• alle Vorgänge in den Lebensphasen des verteilten Automatisierungssystems, die einen Umgang mit dem Feldgerät an sich (logisch oder physisch) erfordern

• Überführung der funktionalen Anforderungen aus der Verfahrenstechnik (Mess-, Regel-, Stellfunktion) in gerätetechnische Anforderungen (Spezifikation, Auslegung)

• bestellfertige Auswahl der Mess- und Stellgeräte

• Bestellung, Fertigung, Auslieferung

• Inbetriebnahme und Konfiguration (Parametrierung)

• Betrieb und Instandhaltung


Instrumentierung – Realisierung von Anforderungen

• Sensoren: Messen vonProzessgrößen

Druck, Temperatur

Durchfluss, Menge

Füllstand, Gewicht

Abstand, …

• Aktoren: Stellen vonEnergie- und Stoffströmen

Ventil,

Motor, Pumpen


TI

LI

AT-RealgerätAnforderung (VT, Konstruktion, Rohrleitung, Sicherheit)

FI

[www2.emersonprocess.com][www.samson.de][www.ksb.com]

Einführung


NA35 - Abwicklung von PLT-Projekten• erste Vorauswahl mit ersten Mengengerüst für eine erste Kostenschätzung

Einführung

NA35 - Abwicklung von PLT-Projekten• detaillierte Auslegung, Anfrage für detaillierte Kostenschätzung und Bestellung


Folie 10

andere Gewerke- Stoff- und Prozessdaten- Ex-Bereiche (Sicherheit)- Sicherheitsrelevante Mess-

u. Stellfunktionen

Instrumentierung- Analyse, Auslegung, Berechnung

- Gerätespezifikation- Vorauswahl

Hersteller (Katalog)- Analyse, Auswahl- Nachrechnung- Angebotserstellung

Prozessanlage

Anfrage, später evtl. Bestellung

Angebot, später evtl. Lieferung

Montage, InbetriebnahmeProzessführung

Anforderungen

Anpassungen (z.B. Nennweite)

iterative Prozesse

Urbas © 2014 CAE@PA

Instrumentierung - Eingangsdaten

• Indexdaten

Grundinformationen aller EMSR-Stellen und deren EMSR-Funktionen

Eindeutiger Name (Kennzeichen)

Einordnung in Anlagenhierarchie (Referenzkennzeichen)

Kurzbeschreibung der Funktion

R&I-Fließbildnummer

Prozesssignal, sicherheitsrelevant (Sicherheitseinstufung)

spezielle Infos


Enterprise

Site

Area

Process Cell

Unit

EquipmentModul

ControlModul

[IEC 61512 ]

Exkurs: Kennzeichnungssysteme

• Strukturierung:

Ziel: Rationelles planen, herstellen, betreiben und warten von großen Systemen

wiederholte Untergliederung des Systems und den zugehörigen Informationen in Teile

• Ein System oder ein Systembestandteil können auf verschiedene Weise betrachtet werden Sicht/Aspekt

Was macht es? Funktionsaspekt

Wie ist es zusammengesetzt? Produktaspekt

Wo befindet es sich? Ortsaspekt


[DIN EN 81346-1]


• der Umfang und die Komplexität von Engineeringprojekten in der Automatisierungstechnik können nur durch die enge Zusammenarbeit der beteiligten Gewerke bewältigt werden

Arbeit mit Vorgehensmodellen

Verwendung von gemeinsamen Kennzeichen für die Aspekte der Planungsobjekte („Was meint der Kollege für ein Geräte?“)

• es muss möglich sein ein Planungsobjekt über alles Lebensphasen der tech. Anlage und über alle beteiligten Gewerke hinweg eindeutig identifizieren zu können Referenzkennzeichen

Kennung eines spezifischen Objektes in Bezug auf das System, von welchen das Objekt Bestandteil ist. Es basiert auf einem oder mehreren Aspekten dieses Systems

Möglichkeit der eindeutigen Identifizierung eines Objektes im System


[DIN EN 81346-1]


• Einzelebenen-Referenzkennzeichen

Referenkennzeichen eines Objektes in Hinblick auf das Objekt, von dem es ein Bestandteil ist

Aufbau:

Vorzeichen zur Aspektidentifikation

Funktionsaspekt Vorzeichen: =

Produktaspekt Vorzeichen: -

Ortsaspekt Vorzeichen: +

Buchstabe (codiert), einer Zahl oder beides in Kombination

Beispiel:

ein Rad ist funktionaler Bestandteil eines Autos =R1

Etage 6 ist ein Stockwerk eines Gebäudes +E06

die CPU ist Produktbestandteil einer S7-400 Steuerung -CPUUrbas © 2014 CAE@PA Folie 14

[DIN EN 81346-1]


• Mehrebenen-Referenzkennzeichen

Referenzkennzeichen, welches durch die strukturierte (hierarchische) Zusammensetzung von Einzelebenen-Referenzkennzeichen entsteht

das Mehrebenen-Referenzkennzeichen ist der „Pfad“ der Objektstruktur

Bsp.: +Welt+Europa+Deutschland+Sachsen+Dresden+TU+Barkhausen-Bau+H213

ist der Aspekt bei zwei aufeinanderfolgenden Einzelebenen-Referenzkennzeichen eines Mehrebenen-Referenzkennzeichens gleich, kann das Vorzeichen zwischen Ihnen weggelassen werden oder durch einen Punkt ersetzt werden

Bsp.: +Welt.Europa.Deutschland.Sachsen.Dresden.TU.Barkhausen-Bau.H213Urbas © 2014 CAE@PA Folie 15

[DIN EN 81346-1]

=0.H1.T1B001


• Stoff- und Prozessdaten (Verfahrenstechnik)

Designdaten – Betriebsbedienungen, die das Gerät ohne Zerstörung aushalten muss (max./min. Druck und Temperatur)

Name und Eigenschaften des Prozessmediums bzw. –gemisches

Aggregatzustand

verschmutzt bzw. Feststoffanteil

korrosiv, ätzend, toxisch, …

prozessrelevante Daten – Angabe von mehreren Fahrfällen (meist Min/Norm/Max)

Druck, Temperatur, Dichte, Viskosität, Massenstrom, Volumenstrom,…

Mess- und Stellgeräteanforderungen

Messbereich, Alarmgrenzwerte, Schließ- und ÖffnungszeitenUrbas © 2014 CAE@PA Folie 16


• konstruktive Informationen

Rohrleitungsinformationen (Kennung, Nenndurchmesser, Druckstufe, Material, Begleitheizung, Isoliermaterial)

meist in Rohrleitungsklassen zusammengefasst

Anschlussdaten – wie sind Mess- und Stellgeräte in die Anlage zu integrieren

Beispiel: Stutzencode

Urbas © 2014 Folie 17

Rohrleitung0012-100-40-WD-EL-100S

passender Anschluss (Flansch) der

Temperaturmessung

Stutzen mit Flanschanschlussz.B. T10C – Stutzen für Temperaturmessungen

in 2‘‘ Class 300 Ausführung

CAE@PA


• Datenintegration in Planungsumgebung der Automatisierungstechnik

manuelle Datenübernahme aus Listen oder Datenblättern (Ausdrucke) der anderen Gewerke (z.B. Prozessdatenblatt der Verfahrenstechnik)

automatische Datenintegration bei unterschiedlichen Datenbasen; Transformation der Datenmodelle notwendig

vollintegrierte Arbeitsweise – alle Gewerke arbeiten auf einer Datenbasis (Datenmodell) Comos


Instrumentierung - Vorgehen

• Gerätespezifikation unter den Berücksichtigung vieler Anforderungen

Zuverlässigkeit - Ausfallsicherheit der Instrumente muss den Betriebsanforderungen der Anlage erfüllen

Prozessbedingungen - Instrumente müssen unter den Einsatzbedingungen (Prozess, Umwelt) funktionsfähig sein

Kundenanforderungen - Berücksichtigung von Vorgaben bzgl. Hersteller, Kommunikationsart

Integrierbarkeit - mögliche Integration in bestehende Strukturen

Energieverbrauch - Minimierung bzw. Bilanzierung der Energieverbräuche (Elektro, Luft)

Kostenbestimmung – Berücksichtigung von weiteren Kostenfaktoren (Beschaffung, Montage, Wartung,…)


[nach Bindel, Hofmann 2009]


• fortlaufender und iterativer Planungsprozess

Basisplanung (Basicengineering)

Gruppenverarbeitung auf Basis ersten Verfahrensdaten

allgemeine Festlegung der Mess- und Stellprinzipien

VT-Messanforderung automatisierungstechnische Messfunktion

Messung Durchfluss Messfunktion mittels Messblende

Herstelleranfrage für Spezialfälle (große Ventile, besondere Messungen)

Kostenschätzungen auf Grundlage von Erfahrungswerten vorheriger Projekte


FI124

H

L



Detailplanung (Detailengineering)

mit steigender Qualität („Reife“, verlässliche Meilensteine bzw. Quality Gates) der R&I-Fließbildern findet eine immer detailliertere Auslegung der Geräte statt Einzelfallbehandlung

Prüfung und ggf. Anpassung der festgelegten der Mess- und Stellprinzipien

Festlegung genereller Eigenschaften; meist für alle Instrumente bzw. Intrumentengruppe identisch (Schutzklasse, Explosionsschutz, Umgebungsbedingungen, Materialen, Vorortanzeigen, elek. Anschluss, Kommunikationsart)

Berechnung und Ermittlung spezifischer Eigenschaften der Mess-und Stellfunktionen (Messbereiche, Prozessanschluss, Anbauteile)


FI124

H

L

Exkurs: Auslegungsbeispiel - Messblende

• Wirkprinzip: Prozessfluss in Rohrleitung Einengung Erhöhung der Fließgeschwindigkeit Verringerung des statischen

Drucks (Satz von Bernoulli)

Urbas © 2014 CAE@PA Folie 22[http://www.ilkdresden.de/iso5167/index.html] [www.siemens.com]



0,2

0

0,7

0

Minusdruckentnahme Plusdruckentnahme

Durchfluss - Qm;Qv

Blendendurchmesser

Rohrdurchmesser

Messdruck)Wirkdruck(Δp

Dichte1ρ

chnitt)(RohrquersD

A

erschnitt)(Blendenqud

A2β

rhältnisÖffnungsve2β

erschnittÖffnungsqud

A

zahlExpansionsε

tkoeffizienDurchflussC

hflussMassendurcm

q

Δp1

2ρ2β1

dA ε C

mq


• Daten der Verfahrenstechnik:

Durchfluss (Masse,Volumen), maximal erlaubter Druckverlust

Rohrdurchmesser, Dichte, dyn. Visosität,

Strömungsgeschwindigkeit gehen über Reynoldszahl ReD und

geometrische Verhältnisse der Blende in den

Durchflusskoeffizienten C ein

• je nach gegebenen Daten bzw. benötigten Informationen lassen

sich Blendendurchmesser, Durchfluss oder messbare Druckdifferenz

(Wirkdruck) errechnen

Auswahl einer Blende und eines Differenzdruckmessgerätes

• Demo – ConvalUrbas © 2014 CAE@PA Folie 24




Anfrage an verschiedene Hersteller Angebot oder eigenes

Katalogengineering

„Papieranfrage“ oder NE100 konforme Übermittlung

Vergleich der Herstellerangebot Auswahl eines Herstellers für

eine Gerätegruppe (bspw. Temperaturmessungen (Endress+Hauser), Druckmessgeräte für L,F,P und PD (Siemens), Kugelhähne (Samson),…)

Klärung aller Detailfragen mit Hersteller (technisch, kommerziell, Zertifikate, Materialzeugnisse, Kalibrierungsprotokolle, Abnahmeverfahren)

Detailberechnungen und –auslegung durch ausgewählten Hersteller


FI124

H

L




Überwachung der Herstellung der Instrumente Expediting

Geräteabnahme beim Hersteller FAT - Factory Acceptance Test

Lieferung auf die Baustelle

Überwachung der Montage

Integration in den Prozess

Integration in die Leit- und Sicherheitssysteme

Inbetriebsetzung (Geräte erfüllt seine Funktion für sich)

SAT – Site Acceptance Test

Inbetriebnahme (Geräte erfüllt seine Funktion in Bezug zum Gesamtprozess)


FI124

H

L


• Bearbeitung

Massenbearbeitung in Listenform

Einzelbearbeitung über Datenblatt

Export/Import von Herstellerdaten

Durchführung von Berechnungen zur Auslegung

Integriert im CAE-Werkzeug (z.B. Smartplant Instrumentation)

Extern durch Spezialwerkzeuge mit automatischer Integration bzw. Datenübernahme (z.B. Comos, PRODOK)

Vorgaben durch: Normenwerke (DIN, ANSI, ISA), Kunden- bzw. Werksstandards, eigene Planungsrichtlinien und -standards


Instrumentierung - Dokumente

• wichtiges und zentrales Dokument der Instrumentierung

EMSR-Stellenblatt (PLT-Stellenblatt, Spezifikationsblatt)

Zusammenfassung wichtigen Informationen und Daten einer

EMSR-Stelle (Funktion) Anfragedokument

Inhalt: Organisatorische Randbedingungen, Auswahl an Stoff-

und Prozessdaten, Auswahl an Daten der Detailplanung

jede Gerätegruppe hat eigenes Formblatt, da eigene spezifische

Informationen dargestellt werden müssen

Darstellung oft druch firmen- bzw. projektspezifischen

Stellenblätter (Norm: ISA–20–1981)



NAMUR-Variante:

Kopfteil PLT-

Stellennummer,

Bezeichnung, R&I-Fließbild

Meßstoff Name,

Arbeitstemperatur, Druck,

Durchfluss, Viskosität,

Dichte,…

Geräteanforderungen

Messbereich,

Ausgabesignal,…

Revision mit UnterschriftenUrbas © 2014 CAE@PA Folie 29

[Strohrmann]


ISA-Form


[ISA–20–1981]


Report aus COMOS

integriert versch. Datenquellen

„wächst mit“

Stoffdaten werden z.B. über Prozessanschluss aus denStromdaten ausgelesen

Urbas © 2014 Folie 31CAE@PA

Übersicht


Eingangsdaten

Vorgehen



Eingangsdaten

Vorgehen



Hardwareplanung

• alle Vorgänge in den Lebensphasen des verteilten Automatisierungssystems, die einen Umgang mit dem Feldgerät in seiner Umgebung erfordern

• Integration der Feldgeräte in die Anlagenstrukturen (Prozess, Konstruktion) und die prozessleittechnische Strukturen

• bestellfertige Auswahl der Montagematerialien

• Bestellung, Fertigung, Auslieferung

• Inbetriebnahme und Konfiguration (Parametrierung)

• Betrieb und Instandhaltung


Hardwareplanung – Integration

• Sensoren/Aktoren

Prozessanbindung

elektrische Anbindung

pneumatische Anbindung

• Automatisierungselemente und –zubehör

Schaltschränke, Verteilerkasten

Kabel, Montagematerial, Trassen


TI

LI

AT-Realgerät IntegrationAnforderung (Konstr., Rohrleitung, Sicherheit)

FI

[www2.emersonprocess.com][www.samson.de][www.ksb.com]

Einführung


NA35 - Abwicklung von PLT-Projekten• Verdrahtung der EMSR-Geräte

Einführung


NA35 - Abwicklung von PLT-Projekten• Montage der EMSR-Geräte

Hardwareplanung - Eingangsdaten

• Daten der Instrumentierung (intern)

Grundinformationen aller EMSR-Stellen und deren EMSR-Funktionen

Eindeutiger Name (Kennzeichen)

Einordnung in Anlagenhierarchie (Referenzkennzeichen)

Kurzbeschreibung der Funktion

R&I-Fließbildnummer

Prozesssignal, sicherheitsrelevant (Sicherheitseinstufung)

Daten aus der Gerätespezifikation

Kommunikationsanschluss, Energieverbrauch (E, Luft),Explosionsschutz

Material, Prozessanschluss, Montagemöglichkeiten, Anbauteile,…



• Daten anderer Gewerke (Konstruktion, Rohrleitung,…)

Infrastruktur der Prozessanlage

Lagepläne der Anlage und Gebäude

Position und Größe von Apparaten, Behältern, Pumpen, Kompressoren,…

Verlauf von Rohrleitungen

Aufbau der Stahlstruktur und von

Wänden

Position der Feldgeräte in der

Anlage

Position und Größe der Schalt-

und Kontrollräume der Leittechnik



• Daten der Leitsystemhersteller bzw. -integratoren

konstruktive Daten

Platzbedarf und Layout für Schaltschränke, Bedien- & Beobachtungskonsolen, Engineeringstationen

Gerätedaten

verwendete Geräte mit Modellbezeichnungen (CPU, Eingangsbaugruppen, Trennbaugruppen, Klemmen, Relais, Leitsystemrechner, Drucker, Kommunikationsbaugruppen…)

Konfiguration der Geräte; Energieverbrauch

Verbindungsdaten

Anbindung der Feldgerätesignale; Zuordnung zur E/A-Kanälen

Busadressen



• Datenintegration in Planungsumgebung der Automatisierungstechnik

manuelle Datenübernahme aus Listen oder Datenblättern (Ausdrucke) der anderen Gewerke (z.B. Lagepläne der Konstruktion, E/A-Belegung im Leitsystem)

automatische Datenintegration bei unterschiedlichen Datenbasen; Transformation der Datenmodelle notwendig (z.B. Koordinatenlisten der Feldgeräte aus 3D-Modell)

vollintegrierte Arbeitsweise – alle Gewerke arbeiten auf einer Datenbasis (Datenmodell) Comos


Hardwareplanung - Vorgehen

• Verdrahtung


Schaltra

um

Feld/Prozess

Prozessleitwarte

EMSR-Stellenleisten -

Feld

EMSR-Stellenleiste-

Prozeßleitwarte

EMSR-Geräte

Prozessleitsystem

Stammkabel

Feldkabel

Systemkabel

(Kiupel, atp 5.2008)

Folie 41


• Verdrahtung


[Berge, 2009]

mögliche TrennungAnlagenbauer <> Leitsystemhersteller bzw. -integrator


• Verdrahtung

Identifizierung und Gruppierung der zu verdrahtenden Feldgräte

Zuordnung der Feldgeräte zu Verteilerkästen oder Feldbussegment

Anbindung der Verteilerkästen bzw. Feldbussegmente an Leitsystemebene über Stamm- bzw. Buskabel (Schaltschrankklemmen bzw. Kommunikationsmaster)

Übergabe der bisherigen Verdrahtungsinfos an Leitsystemhersteller bzw. –integrator und Detailabsprache

Übernahme der Detailplanung des Leitsystemherstellers bzw. –integrators zur vollständigen Abbildung der Verdrahtungsdaten (E/A-Zuordnung)

Beschaffung der notwendigen Verdrahtungskomponenten (Kabel, Stecker, Verteilerkästen,…)



• Verdrahtung

Montageüberwachung der Leitsystemtechnik beim Leitsystemherstellers bzw. –integrators mit abschließenden FAT (meist mit Software FAT zusammen)

Lieferung auf die Baustelle

Überwachung der Montage

Verdrahtung (Loop-Check)

Leitsystemaufbau

Inbetriebsetzung (Geräte erfüllt seine Funktion für sich)

Inbetriebnahme (Geräte erfüllt seine Funktion in Bezug zum Gesamtprozess)


Hardwareplanung - Dokumente

• Verdrahtung - EMSR-Stellenplan (Loop Diagram)

graphische Darstellung der gerätetechnischen Funktionen und Zusammenhänge, die zur Realisierung einer EMSR-Stelle notwendig sind

zusammengehörende Funktionen unter Berücksichtigung von Einbauortlagen auf einem „Blatt“)

Elemente: Mess-, Stellgeräte, Umformer, Wandler, Anzeigen, Kabel, Klemmen, Anschlüsse,…

Verdeutlichung der Signalwege

wesentliches Dokument zur vollständigen Beschreibung von EMSR-Stellen

sollen helfen die EMSR-Stelle (Loop)

bei Inbetriebnahme zu prüfen (Loop-Check, Funktionskontrolle)

und im Betrieb die Störungssuche zu erleichtern




Verdeutlichung der allg. Örtlichkeit der Elemente (Einbauort)

z.B.: Feld-, Rangier- und Leitebene

vereinfachte Darstellung mit Sinnbildern

Element: Rechtecke, Kreise, Linien, Text (Buchstabencodes), Symbole aus anderen Normen (z.B. ISO 3511-3 [5])

unterschiedlichste Darstellungen (Detailgrad) bzw. Leserichtungen (unten – oben / links – rechts)


Schaltra

um

Feld/Prozess

Prozessleitwarte

EMSR-Stellenleisten -

Feld

EMSR-Stellenleiste-

Prozeßleitwarte

EMSR-Geräte

Prozessleitsystem

Stammkabel

Feldkabel

Systemkabel

Folie 46



Normung

Deutsche Norm für EMSR-Stellenpläne DIN 19227-2

International (Amerika) Loop Diagrams ISA-5.4 (ANSI)



• Verdrahtung - EMSR-Stellenplan (Loop Diagram) - Beispiele





(vgl. IS

A-5

.4)




(vgl. IS

A-5

.4)

Literatur

• Namur NA35: Abwicklung von PLT-Projekten (2003).

• Strohrmann, G.: Anlagensicherung mit Mitteln der MSR-Technik (1983).

• DIN EN 60848: GRAFCET, Spezifikationssprache für Funktionspläne der Ablaufsteuerung (2002).

• DIN EN 61512-1 - Chargenorientierte Fahrweise Teil 1: Modelle und Terminologie (2000).

• ISA 95.00.03 - Enterprise - Control System Integration Part 3: Activity Models of Manufacturing Operations Management (2005).

• Siemens: Prozessleitsystem PCS 7 – CFC für SIMATIC S7 (2009).

• Siemens: Prozessleitsystem PCS 7 – SFC für SIMATIC S7 (2009).

• DIN 19227-1 Grafische Symbole und Kennbuchstabenfür die Prozessleittechnik – Darstellung und Aufgaben

• DIN V 44366 Festlegung für die Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik in Fließbildern und für den Datenaustausch zwischen EDVWerkzeugen zur FließbildErstellung und CAESystem (Vorlesung 10 - CAEX)

• EN 62424 Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik - Fließbilder und Datenaustausch zwischen EDV-Werkzeugen zur Fließbilderstellung und CAE-Systemen

• ISA-5.1-1984 (R1992) Instrumentation Symbols and Identification


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