Professur für Prozessleittechnik€¦ · 01.07.2014 CAE-PA 12 - Virtuelle Inbetriebnahme 31 F A T Montage - unterlagen erstellen 4.6 Stellen-funktionspläne erzeugen 4.5 Bestellung

Elektrotechnik & Informationstechnik, Institut für Automatisierungstechnik, Professur Prozessleittechnik

Professur für Prozessleittechnik

Virtuelle Inbetriebnahme

Dresden, 01.07.2014

Prof. Dr.-Ing. habil. Leon Urbas, Dipl.-Ing. Annett Krause

Agenda

Inbetriebnahme

• Ziele und Aufgaben

• Ablauf

• Factory Acceptance Test

(FAT)

• Site Acceptance Test (SAT)

• Site Integration Test (SIT)

• Wasserfahrt

• Inbetriebnahme mit

Chemie

Virtuelle Inbetriebnahme

• Motivation

01.07.2014 CAE-PA 12 - Virtuelle Inbetriebnahme 2

INBETRIEBNAHME (IBN)


Ziele und Aufgaben der Inbetriebnahme [1]

Ziel der Inbetriebnahme (IBN) ist der Übergang der funktionsfähigen

Anlage zur produktionsfähigen Anlage


Phasenmodell der Projektierung - NA 35 [2]


IBN des Automatisierungssystems


Typischer Ablauf FAT, SAT, SIT [3]

DIN EN 62381

Automatisierungssysteme in der verfahrenstechnischen Industrie –

Werksabnahme (FAT), Abnahme der installierten Anlage (SAT) und

Integrationstest (SIT) [3]

Factory Acceptance Test (FAT) [3]

Werksabnahme

Tätigkeit zum Nachweis, dass das System des Lieferanten und

zusätzlich gelieferte Systeme in Übereinstimmung mit der

Spezifikation sind.

Wann?

• Software erstellt, System angeschlossen

• hauseigener Prüfung abgeschlossen

• Vorlage der Prüfberichte

Wer?

• durch Lieferant

• Käufer bezeugt die Testaktivitäten


FAT-Prüfplan [3]

Punkt Beschreibung

1 Start-up Meeting (Prüfung der Dokumente, Zeitplan, etc.)

2 Herstellerdokumentation überprüfen (inkl. hauseigene Prüfberichte)

3 Hardware- und Software-Inventar prüfen

4 Mechanische Inspektion

5 Verdrahtungs- und Anschlussinspektion

6 Prüfung des Systemlaufs

7 Allg. Systemfunktionen inkl. Hardware-Redundanz- und Diagnoseprüfung

8 Visualisierung/Bedienung

9 Funktionsprüfung

10 Komplexe Funktionen und Betriebsmodi (z.B. Batchbetrieb, Ablaufsteuerungen)

11 Test der Schnittstellen zu Subsystemen

12 FAT-Restarbeiten, Restpunkteliste

13 FAT-Abschlussbesprechung


Details zum FAT-Prüfplan [3]

Name Zweck

Dokumentationsprüfung Alle FAT-relevanten Dokumente prüfen.

HW-/SW-Inventar prüfen Überprüfung, ob die HW-Architektur, das Mengengerüst, Maße, Farben usw. in Übereinstimmung mit den relevanten Dokumenten sind. Weiterhin müssen die SW-Lizenzen, Ersatzteile und Verbrauchsmaterialien überprüft werden.

Mechanische Inspektion Inspektion der HW-Architektur und der Ausführung entsprechend den genehmigten Dokumenten.

Verdrahtungs- und Anschlussprüfung

Überprüfen, ob die Verdrahtung mit den Richtlinien, niedergelegt in dem Pflichtenheft und den genehmigten HW-Dokumenten, übereinstimmt und ob ihre handwerkliche Ausführung den üblichen Industriestandards entspricht.

… …


Prüfung des Systemlaufs [3]


Visualisierung & Bedienung [3]


Funktionsprüfung [3]


Komplexe Funktionen [3]


Festgestellte Mängel


[3]

Site Acceptance Test (SAT) [3]

Abnahme der installierten Anlage

Tätigkeit zum Nachweis, dass die installierten verschiedenen

Systeme des Lieferanten in Übereinstimmung mit der

Spezifikation und den Installationsvorschriften sind.

Wann?

• System auf die Baustelle geliefert

• ordnungsgemäße Installation (inkl. HW, Spannungsversorgung,

Erdung, Kommunikation)

• Inbetriebnahme des Systems


SAT-Prüfplan [3]

Punkt Beschreibung


2 Lieferantendokumentation überprüfen (inkl. hauseigene Prüfberichte)

3 Hardware- und Software-Inventar prüfen

4 Mechanische Inspektion

5 Erstinbetriebnahme/Diagnosecheck (Erdungssystem, Spannungsversorgung, Netzverbindung, etc.)

6 Software laden


Site Integration Test (SIT) [3]

Integrationstest

Tätigkeit zum Nachweis, dass das Zusammenschalten der

verschiedenen Systeme zu einem Gesamtsystem abgeschlossen

ist und alle Komponenten wie spezifiziert zusammenarbeiten.

Wann?

• nach dem SAT

• mehr als ein System vorhanden (und fertiggestellt) z. B.

Package Units mit eigenem DCS/PLC oder Unit-Controller

Analysesysteme bei nicht-konventionellen E/A-Signalen

ESD-Systeme (Emergency Shut Down)

Zusammenschaltung von DCS/PLC verschiedener Hersteller


SIT-Prüfplan [3]

Punkt Beschreibung


2 Lieferantendokumentation überprüfen (inkl. hauseigene Prüfberichte)

3 Mechanische Inspektion (Kommunikationsverbindungen zwischen den Systemen)

4 Diagnosecheck (Kommunikationsprüfung zwischen den Systemen, Baud-Rate usw.)

5 Software laden (falls anwendbar)


IBN verfahrenstechnischer Anlagen [1]


Gesamtzeitraum der Inbetriebnahme wird in der Regel in die folgenden

drei Phasen unterteilt

• Herstellung der Betriebsbereitschaft

• Probebetrieb

• Garantieversuch (Abnahmeprüfung der gesamten Anlage)

Herstellung der Betriebsbereitschaft

Probe-betrieb

Garantie-versuch

[3] plus [1]

IBN verfahrenstechnischer Anlagen [1]


Herstellung der Betriebsbereitschaft

Probe-betrieb

Garantie-versuch

Wasserfahrt [1]

Beschreibung nach [1, S. 279]

Komplexe Funktionsprüfung, möglichst der Gesamtanlage, mit Wasser und

Luft/Stickstoff.

Verbreitet in Chemie-, Pharma- und Lebensmittelanlagen

Prüfen, ob später auch mit Wasser hantiert wird bzw. eventuelle

Wasserrestmengen zumindest nicht stören (in Raffinerieprozessen und

chemisch-katalytischen Prozessen nicht der Fall – dort ggf. keine

Wasserfahrt erwünscht)

Ziel: Nachweis mechanischer und verfahrenstechnischer Funktion


Inbetriebnahme mit Chemie [1]

Sinnvolle Anfahrstrategien

• zunächst „Inseln“ in Betrieb

nehmen

• sobald die „Inseln“ stabil sind

mit Kopplung beginnen

• zuerst Vorwärtsverkettung

(später Rückkopplungen)

• 60-70% Nennlast anfahren

• kritische Anfahrschritte

zeitlich und inhaltlich

entkoppeln

Anzufahrende Komponenten

• Antriebe

• Pumpen

• Verdichter

• Turbinen mit Generatoren

• Industrieöfen und

Dampferzeuger

• Reaktoren und Absorber

• Kolonnen

• Prozessleittechnik und

Elektrotechnik


VIRTUELLE INBETRIEBNAHME


Aktuelle Herausforderungen in der

Prozessautomatisierung

Mechanisierung und Automation

• Produktivität

• Ressourceneffizienz

• Qualität

• Anlagensicherheit

Kommunikation und Integration

• Transparenz

• Flexibilität

• Geschwindigkeit

• Informationssicherheit


Motivation

Prüfung der Automatisierungstechnik liegt auf dem kritischen

Pfad

• Häufig per Forcen der Eingänge (manuell)

• unter Zeitdruck

• auf der Baustelle

• mit Gefahr für die Anlage

Späte Fehlererkennung und –beseitigung ist teuer

• Spezifikationsfehler

• Implementierungsfehler


Tätigkeiten vor Inbetriebnahme

1. Leitsystem spezifizieren

2. Software konfigurieren

3. Montage kontrollieren

4. Anlage reinigen

5. IBN der Infrastrukturleitungen und Mediensysteme

6. Funktionsprüfung von Hardware und Software

7. Abnahmeprüfung

→ Durchführung dieser Tätigkeiten typischerweise fehlerbehaftet

→ Fehler werden erst bei der IBN erkannt und können somit erst

auf der „Baustelle“ behoben werden



Phasen

Feh

lerm

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Au

swir

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Feh

lern

1.1 Projektziele festlegen 0,6 1 0,6 0,36 x 1 0,36

1.2 Grobkosten schätzen 0,4 0,6 0,2 0,048 0 0

2.1 Anlagenkonzept festlegen 1 1 0,8 0,8 x 6 4,8

2.2 Kosten schätzen 0,6 0,6 0,2 0,072 0 0

3.1 PLT-Funktionen festlegen 0,8 0,8 0,6 0,384 x 10 3,84

3.2 Verfahrenstechnische Daten beschaffen 0,8 0,6 0,4 0,192 5 0,96

3.3 Technische Realisierung festlegen 0,8 1 0,4 0,32 x 3 0,96

3.4 Kosten kalkulieren 0,6 0,8 0,4 0,192 1 0,192

4.1 Geräte festlegen 0,6 0,8 0,6 0,288 x 5 1,44

4.2 Zentrale Einrichtungen festlegen 0,4 0,8 0,6 0,192 8 1,536

4.3 Leitsystem spezifizieren 0,6 0,6 0,8 0,288 x 5 1,44

4.4 Stellenpläne erzeugen 0,4 0,2 0,4 0,032 8 0,256

4.5 Stellenfunktionspläne erzeugen 0,6 0,4 0,6 0,144 10 1,44

4.6 Montageunterlagen erstellen 0,6 0,6 0,4 0,144 9 1,296

5.1 Bestellung veranlassen 0,6 0,8 0,4 0,192 2 0,384

5.2 Lieferung bestätigen 0,4 0,2 0,2 0,016 1 0,016

5.3 Software konfigurieren 1 0,6 0,6 0,36 x 10 3,6

5.4 Montage vorbereiten 0,4 0,8 0,4 0,128 1 0,128

5.5 Montage überwachen 0,4 0,6 0,4 0,096 4 0,384

5.6 Funktionen überprüfen 0,4 0,6 0,6 0,144 6 0,864

6.1 Personal ausbilden 0,2 0,8 0,8 0,128 1 0,128

6.2 Inbetriebsetzung unterstützen 0,4 0,6 0,8 0,192 1 0,192

6.3 Dokumentation revidieren 0,2 0,2 1 0,04 2 0,08

6.4 Dokumentation übergeben 0,2 0,2 1 0,04 0 0

7.1 Abschlussbericht erstellen 0,2 0,2 1 0,04 0 0

7.2 Projektabrechnung erstellen 0,2 0,2 0,2 0,008 0 0

Summe: 24,296

Inbetriebsetzung

4%

Projektabschluss

1%

Tätigkeiten

Grundlagenermittlung

1%

Basisplanung

19%

Vorplanung

6%

Ausführungsplanung

45%

Errichtung

24%

[1]

nach [1]

Lösungsansatz – Virtuelle Inbetriebnahme

Fachausschuss 6.11 - Virtuelle Inbetriebnahme

„Simulation bildet heutzutage eines der bedeutendsten

Werkzeuge im Engineering von automatisierten

Produktionsanlagen. Sowohl in der Fertigungs- und

Montageindustrie als auch zunehmend in der Prozessindustrie

können im Rahmen der Virtuellen Inbetriebnahme (VIBN)

Steuerungen getestet werden, noch bevor diese in die

reale Anlage installiert werden.“ [4]


Ziele der VIBN [5, S. 29]

Ziel der virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) ist die Optimierung und

Absicherung des Zusammenspiels von

• Anlagenmechanik,

• Anlagenelektrik und

• Steuerungssoftware

ohne das die reale Fertigungsanlage vorhanden ist.


Potenziale der VIBN

1. Funktionstests

Verriegelungen

HMI

Alarm- und Meldesysteme

2. Wasserfahrt

Schritte der realen IBN mit Wasser

3. Operator Training System (OTS)

Handhabungstrainings

Standard Operating Procedures (SOP)

Startup/Shutdown, Emergency SOP

4. Parameteroptimierung, z.B.

Regelparameter

Grenzwerte für Alarme und Meldungen

Füllstände, Durchflüsse etc. im Arbeitspunkt


Integrierte VIBN


FA

T

Montage -

unterlagen

erstellen

4.6

Stellen -

funktionspläne

erzeugen

4.5

Bestellung

veranlassen

5.1

Montage

vorbereiten

5.4

Lieferung

bestätigen

5.2

Software

konfigurieren

5.3

Inbetrieb -

nahme

unterstützen

6.2

Personal

ausbilden

6.1

Funktionen

prüfen

5.6

Modell -

generierung auf

Systemebene

(DGL)

VIBNWasserfahrt

(~ 6.2)

VIBNOperator Training

(~6.1)

Continous

Operator

Training

Modell -

generierung auf

Netzwerkebene

(DAE)

VT-Detail

(App, Equ)

Montage

überwachen

5.5

VIBNFunktionstests

(~ 5.6)

done done done done done done done done done done

SA

T

SIT

done

done done

done

Dauerbetrieb

done

do

nedone

VIBN

Parameter -

Optimierung

IterationVT-Basic

Engineering

Integrierte VIBN


Vorteile der VIBN

Zeitgewinn durch effiziente Testabläufe

• Speichern von "Anlagen"-Zuständen

• Zeitraffer und Zeitlupe

• Systematisch simulieren statt manuell „forcen“

Höhere Qualität auch in Randbereichen

• Analyse der Anlage im Anfangszustand ist möglich

• Prozessanalyse außerhalb der Projektparameter ist möglich

• Analyse einzelner Stufen des Prozesse ist möglich

Zeitgewinn durch Frontloading von weiteren Arbeitsschritten z.B.

• Anbindung an MES/ERP


Modelle und Detaillierungsgrad

Finite Ebene

• detaillierteste Ebene

Netzwerkebene

• Gibt physikalische und chemische

Zusammenhänge realitätsnah wieder,

z.B. OTS)

• bidirektionale Energie-, Informations-

und Materialflüsse

Systemebene

• Objektübergreifend, gibt funktionale

Zusammenhänge wieder

• unidirektionale Signalflusslinien

Zustandsebene

• Basiert auf Objekten, z.B. Ventil


Verfahrens-optimierung

Anwender-Schulung

Test der Software aus korrekteFunktion, Abläufe, Verriegelungen

und Grenzwerte

Test der installierten Sensoren und Aktoren auf korrekte Funktion und

Verdrahtung

E/A-Modelle

Modell mit Dynamikund adaptiven

Parametrierungsgrad

Dynamisches Modell mit nummerisch korrekter Wiedergabe der physikalischen

und chemischen Vorgänge

Modell mit Dynamik und hohem Parametrierungsgrad

Finite

Ebene

Netzw

erk-

ebene

System-

ebene

Zustands-

ebene

[4]

Bewertung der VIBN


Kriterien VIBN-Typen

Funktionstest Hochlauftest OTSParameter-

Optimierung

Benötigte Modelle Systemebene NetzwerkebeneNetzwerkebene

Finite EbeneFinite Ebene

Modellgenerierungs-

AufwandGering Mittel Groß Sehr groß

Einsparungspotenzial bei

realer IBNGroß Groß Mittel Gering

Bewertung der VIBN

VIBN für Hochlauftest, OTS & Parameter-Optimierung benötigen

Modelle der Verfahrenstechnik

• Nicht durch einfache Modelle auf Systemebene erzeugbar

• Bedarf von detaillierteren verfahrenstechnischen Wissen

Verschiedene Ziele von OTS führen zu verschiedenen Aufgaben

• Notwendigkeit unterschiedlicher Modelle im Simulationssystem

• OTS Aufgaben haben dabei unterschiedliche Mindestanforderungen

an den Modellierungsgrad

• Modellierungsgrad bestimmt Genauigkeiten & Gültigkeitsbereiche


Automatische Simulationsgenerierung [6]


Literatur

[1] K. H. Weber, Inbetriebnahme verfahrenstechnischer Anlagen, Berlin: Springer-Verlag,

2006.

[2] NA 35, „Abwicklung von PLT-Projekten,“ NAMUR-Geschäftsstelle, Leverkusen, 2003.

[3] DIN EN 62381, „ Automatisierungssysteme in der verfahrenstechnischen Industrie –

Werksabnahme (FAT), Abnahme der installierten Anlage (SAT) und

Integrationstest (SIT),“ DKE, 2010.

[4] http://www.vdi.de/technik/fachthemen/mess-und-

automatisierungstechnik/fachbereiche/engineering-und-betrieb-automatisierter-

anlagen/gma-fa-611-virtuelle-inbetriebnahme/ abgerufen am 30.06.2014

[5] M. Grimm, „Virtuelle Inbetriebnahme von Produktionsanlagen,“ atp edition –

Automatisierungstechnische Praxis 54(4), pp. 28-33, April 2012.

[6] M. Barth, Automatisch generierte Simulationsmodelle verfahrenstechnischer Anlagen für

den Steuerungstest, Düsseldorf: Fortschritts-Berichte VDI Reihe 20, Nr. 438, 2011.


http://www.vdi.de/technik/fachthemen/mess-und-automatisierungstechnik/fachbereiche/engineering-und-betrieb-automatisierter-anlagen/gma-fa-611-virtuelle-inbetriebnahme/

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