CAE in derPLT - et.tu-dresden.de · CAE-Werkzeugvielfalt • in allen Lifecycle-Phasen kommen eine Vielzahl unterschiedlichster CAE -Systeme zum Einsatz (Je nach Gewerk, eigene, auf

Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

Engineering Prozessleittechnik

VL Prozessleittechnik I (SS 2011)Professur für ProzessleittechnikProf. Dr.-Ing. Leon Urbas, Michael Obst, Falk Doherr

12.07.2011 PRLT (c) Urbas 2008-2011 Folie 2

Überblick• Engineering in der Prozessindustrie

Ziele, Aufgaben und (Vorgehensmodelle)• Computer Aided Engineering

Anforderungen: Gewerke und Sichten Lösungsansätze: Datenbanken, Werkzeuge

• Engineering leittechnischer Funktionen Identifikation: Anlagenhierarchie und

Kennzeichnungssysteme Abstraktion: Planarten zur grafischen Darstellung

von Zusammenhängen• Medienbrüche


Ziele des PLT-Engineerings

• Nahtlose Umsetzung der funktionalen Forderungen der Prozessingenieure (Chemie, Anlagenbau, Verfahrenstechnik)

• Mittel für die Prozessführung Messen, Steuern, Regeln, Überwachen, Visualisieren, Bedienen Instrumentierung, Kommunikation

• Planung, Auslegung und Implementierung von Energieversorgung Zusichern und Bereitstellen der notwendigen Kapazitäten Zuverlässige räumliche Strukturen (Trafostation, Kabelbrücken)

• Anbindung an übergeordnete Unternehmens- und Betriebsleitebenen

• Schutz- und Sicherheitseinrichtungen realisieren SIL - Safety Integrity Level SIS - Safety Instrumented System


Arbeitsplätze für das Engineering


Arbeitsplätze für das Engineering


Warum CA-Systeme?

Bewältigung der steigenden Effizienz-, Zeit- und Qualitätsanforderungen an die Unternehmen (Planungsingenieure)


Anforderungen an CA-Systeme• der Computer soll den Menschen nicht ersetzen

• CA-Systeme sollen die menschlichen Fähigkeiten und Qualitäten ergänzen und erweitern

• sie sollen helfen die menschlichen Schwächen auszugleichen bzw. abzufangen

unsystematisches Vorgehen

Vergessen von Einzelheiten

mangelnde Übersicht über die Zusammenhänge und Fakten, die sich während des Engineeringprozesses auch noch ändern

CA-Systeme

technisches System

Der Mensch muss noch immer die maßgeblichen Arbeiten selber vollführen und sollte die letztendliche Verantwortung nicht an den Computer abgeben (können)!


Überblick - CA-Systeme

(nach Lauber, R. u. Göhner, P. 1999)


CAD (CAE) – Der Anfang• 1963 entwickelte Ivan Sutherland am MIT

(Massachusetts Institute of Technology) das Programm „Sketchpad“, mit dem über ein Lichtgriffel einfache Zeichenobjekte erzeugt und in ihrer Größe verändert werden konnten Video

Fototransistor

Auslöser

Elektronik konventionell Nutzung heute

Lichtpistole

http://www.youtube.com/watch?v=495nCzxM9PI�


CAD (CAE) – Der Anfang• Ende der 60er bis Mitte der 70er Jahre entstehen vor

Allem im Flugzeugbau erste kommerzielle CAD-Systeme (2D), die mit Hilfe von IBM-Großrechnern liefen

CADAM (Computer Augmented Design And Manufacturing) der Fa. Lockheed

• Weiterentwicklung von CADAM durch Fa. Avions Marcel Dassault

CATIA (Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application)

• Forschung an der Universität Cambridge zur Nutzung einfacher 3D-Körper

PDMS (Plant Design Management System) der Fa. Aveva

• Im Laufe der 80er Jahre ist mit dem Programm AutoCADdas rechnergestützte Konstruieren auch auf Heimrechner möglich


CAD CAE – Der Übergang• CAD-Systeme wurden konzipiert, um den Menschen bei der

Erzeugung von technischen Zeichnungen zu unterstützen (sauberes Zeichnen, Änderungsanpassungen, Symbolbibliotheken, Wiederverwendbarkeit, Reproduzierbarkeit)

• im Laufe der Zeit war es notwendig, mehr und mehr Informationen zu den einzelnen Zeichnungsobjekten bereitzustellen und zu interpretieren

• Werden neben dem eigentlichen Design- (Entwurf, Zeichnung) auch Projektierungsaufgaben durch diese Systeme übernommen, spricht man nicht mehr von CAD- sondern CAE-Systemen.


CAD CAE – Der Übergang

Steht hinter einem CAD-System ein Datenmodell für die Objekte, welches die Objekte selber, ihre Eigenschaften und ihre Relationen abbildet, und existiert eine Komponente für die Datenhaltung, so handelt es sich um ein CAE-System.

die Eigenschaften sind vor allem nichtgrafische Aspekte

das „E“ bedeutet nicht nur Datenhaltung in Formularen, sondern stellt im wesentlichen die Informationsbasis für alle Meilensteine beim Engineering einer technischen Anlage dar (notwendig für die Generierung von Planungsdokumenten wie Listen, Datenblättern, Angebotsanfragen u.a.)


(nach Rauprich u. a. (2002))

Vergleich von CAE-Systemen für die Prozessautomatisierung (1/2)


CAE-Werkzeugvielfalt• in allen Lifecycle-Phasen kommen eine Vielzahl unterschiedlichster CAE-Systeme zum

Einsatz (Je nach Gewerk, eigene, auf ihre Umgebung optimierte CAE- Systeme) Einsatzgründe:

hist. großer Marktanteil und weite Verbreitung

Speziallösungen; besondere Funktionen (features)

Zwang (z.B. teilweise bei Entwicklungsumgebungen von Steuerungen)

Verfahrensentwicklung

Apparate- und Rohrleitungsplanung

Instrumentierung (PLT-Hardware)

Instrumentierung (PLT-Software)

Elektroplanung

weitere für bspw. die Konfiguration der Feldgeräte und Steuerungen und die Instandhaltung der Anlage


CAE-Systeme für die Verfahrensauslegung

• Aufgabe: Verfahren in Grobstruktur konzipieren Anlagenteile dimensionieren Energieverbrauch und Sicherheit optimieren

• Zielgruppe Verfahrenstechnik

• Methoden Modellierung Stationäre und dynamische

Simulation• Simulationswerkzeuge zur

Prozessmodellierung wie

z.B. Aspen-Hysys, UniSim, Matlab


CAE-Systeme für die Fließbilderstellung

• Aufgabe: Erstellen von Fließbildern nach EN ISO 10628 (Grundfließbild,

Verfahrensfließbild, Rohrleitung & Instrumentenfließbild (RI)• Zielgruppe

Verfahrenstechnik, MSR• Werkzeuge: SmartPlant P&ID, Comos, weitere CAD-Systeme


CAE-Systeme für die Aufstellung-, Apparate- und Rohrleitungsplanung

• Aufgabe: Planung der räumliche Anordnung von Apparaten und Maschinen in

einem dafür konzipierten Anlagengerüst Bestimmung Platzbedarf, Abschätzung Mengengerüste, Optimierung

von Investitions- und Montagekosten, Instandhaltung, Bedienung, Wege, Sicherheit, Instandhaltung durch Bestimmung von Ort und Lage

• Zielgruppe Stahlbau, Apparatebau

• Bsp.: z.B. AutoCAD, MicroStation, PDS 3D



Stahlbau

Rohrleitungen

Virtuelle Begehung


Rohrleitungs-isometrie



CAE-Systeme für die Instrumentierung (PLT-Hardware)

• Aufgabe: Feldinstrumentierung, Verkabelung, Schalträume Für Elektrotechnische Aufgaben: Stromlaufplan Für MSR-Aufgaben: PLT-Stellenplan

• Zielgruppe MSR

• z.B. SmartPlant Instrumentation, Comos, PRODOK, E-PLAN


CAE-Systeme für die Instrumentierung (PLT-Software)

• Aufgabe: Planung und Entwicklung der Logik von MSR und PLT-Aufgaben

(Steuerungs- und Regelungsprogrammentwurf) IEC 61131-3, VDI/VDE 3696 – Systemneutrale Programmierung

• Zielgruppe MSR, PLT

• z.B. logiDOC, Comos


Planungsdokumente für dieProzessautomatisierung


Planungsdokumente

Planungsdokumente graphisch - nicht graphisch

gewerkeübergreifend – gewerkespezifisch intern (Planung) – extern (Beschaffung, Hersteller) unternehmensspezifische Dokumente

Datenblätter, Listen,PLT-Stellenblätter, Beschreibungen,Gutachten,Geräteanforderungen, …

Verfahrenstechnische Fließbilder, Stromlaufpläne, Netzpläne,PLT-Stellenplan, Funktionspläne,Gebäude- und Lagepläne, Anschlusspläne, Aufstellungspläne, …


Zeichnerische Darstellung des Ablaufs, Aufbaus und der Funktion einer verfahrenstechnischen (Teil-)Anlage

Wesentliches Mittel beim Entwurf des verfahrenstechnischen Prozesses

dienen dem Informationsaustausch zwischen den an der Planung, Montage, IBS, Betrieb und Instandhaltung beteiligten Arbeitsgruppen

Vereinfachung der fachübergreifenden Verständigung

verfahrenstechnische Fließbilder


verfahrenstechnische Fließbilder

Grundfließbild

Verfahrensfließbild

Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild(Rohrleitungs- und Instrumentierungsfließbild)

• DIN EN ISO 10628: Regeln zur Erstellung der verfahrenstechnischen Fließbildarten unterschiedlichen Abstraktionsgrads (anzugebende Informationen, Symbole, Darstellungsvorgaben)


• Beispiel: Wasserkreisläufe der verfahrenstech. Versuchsanlage (nicht normkonform)

Grundfließbild (block diagram)



Projekt: Laboranlage - Batchprozess

Erstellt am: 02.11.2007

Bearb.: Falk Doherr

GRÖSSE FAX-NR. ZEICHN.NR. REV.

=TUD.H1.PFB001

MASSSTAB 1:1 BLATT 1 VON 1

Reaktion 1

Reaktion 2

Mischen Abfüllen

Spülen

Eingangsstoff 1Eingangsstoff 2Eingangsstoff 3

Eingangsstoff 1Eingangsstoff 2Eingangsstoff 3

Ausgangsstoff 1Ausgangsstoff 2

Frischwasser Schmutzwasser

Reaktion 3

• Beispiel:Laboranlage - Rezeptsteuerung


• Beispiel: DIN EN ISO 10628 B.2



• Konkretisierung der chemischen und physikalischen Zusammenhänge (Elementarfunktionen) und Überführung dieser auf wesentliche apparatetechnische Objekte (Behälter, Pumpen, Wärmetauscher, Mischer,…) Detaillierte Darstellung der apparatetechnischen Realisierung

des Verfahrens (Prozesses) mit allen wesentlichen Informationen• DIN EN ISO 10628: „… Darstellung eines Verfahrens oder einer

verfahrenstechnischen Anlage mit Hilfe von graphischen Symbolen, die durch Linien verbunden sind.“

• Darstellungsmittel: graphische Symbole Anlagenteile Linien Fließlinien für Stoffe und Energien bzw. Energieträger

Verfahrensfließbild (process flow diagram)


• Beispiel: Projekt der Verfahrenstechniker der TUD (TUD, Prof. Mollekopf) (Absorption saurer Gase aus Gasgemischen)

Verfahrensfließbild (process flow diagram)


• Beispiel: DIN EN ISO 10628 Bild B.4 (Zusatzinform.)Verfahrensfließbild (process flow diagram)


• detaillierte Darstellung der konkreten technischen Realisierung eines Verfahrens bzw. einer verfahrenstechnischen Anlage mit Hilfe von graphischen Symbolen und Linien

technischer Prozess technisches System

(Verfahren, Funktion) (Geräte, Instrumentierung)

• Verdeutlichung aller geräte- und informationstechnischen Zusammenhänge, die für eine praktische Abwicklung notwendig sind

R&I-Fließbild (P&I Diagram)


• eines der wichtigesten Planungsdokumente einer verfahrenstechnischen Anlage Informationssammler gewerkeübergreifendes Kommunikationsmittel

(Verfahrensentwicklung EMSR-Planung)• Darstellungsmittel:

graphische Symbole Anlagenteile, Rohrleitungen Meß-, Regel- und

Steuerfunktionen (DIN 19227-1) Linien Informationsflüsse zwischen Meß-, Regel- und

Steuerfunktionen und den Anlagenteilen und Rohrleitungen

R&I-Fließbild (P&I Diagram)


• Beispiel: DIN EN ISO 10628 Bild B.6 (Zusatzinform.)R&I-Fließbild (P&I Diagram)


• Beispiel:Teilanlage „Mischen“ des GZATR&I-Fließbild (P&I Diagram)


DIN 19227-1 (ersetzt durch DIN EN 62424) Grafische Symbole und Kennbuchstaben

für die Prozessleittechnik

Darstellung von Aufgaben


• Zweck: Aufgabenbezogen Darstellung der PLT auf

R&I-Fließbild Beschränkung auf prozessbezogene EMSR-

Technik

• Anwendungsbereich: Verfahrenstechnische Anlagen (Chemie,

Kraftwerk, Nahrungsmittel, Wasser, …)

Anwendungsbereich DIN 19227-1


• Darstellung der EMSR-Aufgabe (neu PCE-Aufgabe) durch EMSR-Stellen-Symbol: Rund bzw. Langrund („PLT-Ei“) Allgemein Prozessleitsystem Prozessrechner

• Kennzeichnung des Ausgabe- und Bedienortes Vor Ort - kein Querstrich Leitewarte - ein Querstrich Örtlicher Leitstand - Doppelquerstrich

Grafische Symbole


1 EMSR-Stellen-Funktion(Kennbuchstaben!)

2.1 und 2.2EMSR-Stellen-Kennzeichung(Identifikation)

3.1 und 3.2weitere Kennzeichnungen (z.B. Ort, Stelle, etc.)

Textfelder am EMSR-SS


• Messort wird durch Bezugslinie mit EMSR-SS verbunden (0.25 mm, durchgezogen)

• Messort kann durch Kreis (d=2mm) hervorgehoben werden

• Stellgerätefunktion kann durch zusätzlichen Kreis dargestellt werden

Darstellung von Messort und Stellgerätefunktion


• Erfüllung einer Funktion durch Mehrfacherfassung mehrere EMSR-SS

• Mehrere Ausgabe- und Bedienorte mehrere EMSR-SS

Weitere Regeln für die Darstellung


• Buchstabensequenz, eingeteilt in zwei Gruppen Gruppe 1: Erstbuchstabe und ggf. Ergänzungsbuchstabe Physikalische Größe

Gruppe 2: Folgebuchstaben Verarbeitung

Achtung: Kein Trennzeichen zwischen den Gruppen Gruppenzugehörigkeit muss aus Kontext erschlossen

werden Geht nur mit „Geheim“-Wissen über Konstruktion,

Beispiel Telefonnummern: 004935146339614, 03031472007,…

Kennbuchstaben


• N – frei Verfügbar (Stellglied Motor)• X – frei Verfügbar• Y – frei Verfügbar (Stellglied Ventil)

Zusätzliche Erstbuchstabe• A – Analyse• B – Brennersteuerung• C – Frei Verwendbar• I – Strom• Z – Frei Verwendbar

Ergänzungsbuchstabe• D – Differenz• F – Verhältnis• J – Messstellenabfrage• Q – Integral, Summe

• Buchstaben, die der Kategorie Ergänzungsbuchstabe zugeordnet sind, dürfen nicht in Gruppe 2 –Folgebuchstaben verwendet werden

Erstbuchstabe (mit Änderungen nach DIN EN 62424)

• D – Dichte• E – Elektrische Größe (Spannung)• F – Durchfluss, Durchsatz• G – Amplitude, Stellung, Länge,

Dehnung, Abstand• H – Handeingabe, Handeingriff• K – Zeit• L – Stand• M – Feuchte• Q – Qualität, Stoffeigenschaft, Analyse• R – Strahlungsgröße• S – Geschwindigkeit, Drehzahl,

Frequenz• T – Temperatur• U – Zusammengesetzt (nicht benutzen)• V – Viskosität (Vibration)• W – Gewichtskraft, Masse

Gruppe 1 - Meßgröße


• A – Alarm• C – Selbsttätige Regelung• E – Aufnehmerfunktion• H,+ – Oberer Grenzwert • I – Anzeige• L,- – Unterer Grenzwert• O – Sichtzeichen, Ja/Nein-Anzeige (ohne Störung)• R – Registrierung• S – Schaltung, Ablaufsteuerung, Verknüpfungssteuerung• T – Messumformer-Funktion• U – zusammengefasste Antriebsfunktionen• V – Stellgeräte-Funktion• Y – Rechenfunktion• Z- Noteingriff, Schutz durch Auslösung, Schutzeinrichtung,

sicherheitsrelevante Messung• K,M, - frei verfügbar

Gruppe 2 - Folgebuchstaben


• Oberer (H,+) und unterer Grenzwert (L,-) werden den Folgebuchstaben A,O,S,Z einzeln oder gemeinsam nachgestellt

• H,+,K,- dürfen auch zur Kennzeichnung der Endstellungen offen/geschlossen bzw. Schaltzustände Ein/Aus verwendet werden

• Sensoren und Aktoren in Schutzeinrichtungen ohne Schaltfunktion sind durch Z in Klammern zu kennzeichnen

Grenzwerte und Schutzeinrichtungen


• Einwirkung auf StreckeStellgeräte


Beispiel


DIN 19227-2 Grafische Symbole und Kennbuchstaben

für die Prozessleittechnik

Darstellung von Einzelheiten


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

• sollen helfen die EMSR-Stelle (Loop) zu prüfen (Loop-Check), in Betrieb zu nehmen und zu warten

• Verdeutlichung der allg. Örtlichkeit der Elemente z.B.: Feld-, Rangier- und Leitebene

• vereinfachte Darstellung mit Sinnbildern DIN 19227-2

• unterschiedlichste Darstellungen (oben – unten/ links –rechts) siehe Vortrag Dr. Zgorzelski

(PLT)EMSR-Stellenplan




Das CAE-System verwaltet u.a.:

− Klemmen des Verteilerkastens

− Anschlussklemmen des Messumformers

− Anschlussklemmen des Sensors

VKE23 X1: 19 20



Beispiel



• DIN EN ISO 10628: Fließschemata für verfahrenstechnische Anlagen. Berlin: Beuth, 2001

• Früh, K.F. (Hrsg.) ; Maier, U. (Hrsg.): Handbuch der Prozessautomatisierung. München : Oldenbourg Industrieverlag, 2004

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

Literatur

Documents

CAE in derPLT - et.tu-dresden.de · CAE-Werkzeugvielfalt • in allen Lifecycle-Phasen kommen eine Vielzahl unterschiedlichster CAE -Systeme zum Einsatz (Je nach Gewerk, eigene, auf