Projektierung von Automatisierungsanlagen || Allgemeiner Ablauf von Automatisierungsprojekten

2 Allgemeiner Ablauf von Automatisierungs-projekten

In der Projektierungspraxis ist ein im Wesentlichen aus drei nacheinander abzuarbei-tenden Phasen bestehender Projektablauf zu erkennen:

Akquisitionsphase (Bild 2-1), Abwicklungsphase (Bild 2-2) und Servicephase (Bild 2-3).

In der Akquisitionsphase soll sich die Projektierungsfirma (Anbieter) beim Kunden4 darum bemühen, den Zuschlag für den Auftrag zu erhalten. Bild 2-1 veranschaulicht diesen Sachverhalt und zeigt, wie Projektierungsingenieure in die Projektakquisition eingebunden sind.

4 In der Akquisitionsphase werden die beteiligten Partner Kunde (potentieller Auf-

traggeber) bzw. Anbieter (potentieller Auftragnehmer) genannt, die nach Auftrags-vergabe zu Auftraggeber bzw. Auftragnehmer werden.

Projektstart

Anfrage/Ausschreibung vom Kunden

Basic-Engineering (Bild 2-5), Angebot vom Anbieter

Auftrags-vergabe

1

Anfrage wird oft als Lastenheft formuliert (vgl. Abschnitt 3.3.2.2) und häufig auch als Ausschrei-bung (Aufgabenstellung) bezeichnet,

Bearbeitung durch Vertrieb

Erarbeitung von Projektierungsunterlagen (vgl. Abschnitt 3.3.3.1-3.3.3.6) als Angebotsbasis,

Angebotserarbeitung durch Vertrieb unter Mitwir-kung von Fachabteilungen des Anbieters (Projek-tierungsingenieure) und Fremdfirmen,

Angebotsabgabe durch Vertrieb

Vergabeverhandlung beim Kunden durch Vertrieb und Fachabteilungen des Anbieters

Bild 2-1: Akquisitionsphase

T. Bindel, D. Hofmann, Projektierung von Automatisierungsanlagen,DOI 10.1007/978-3-8348-2082-2_2, © Springer Fachmedien Wiesbaden 2013

6 2 Allgemeiner Ablauf von Automatisierungsprojekten

Die Abwicklungsphase (Bild 2-2) erfordert das exakte Zusammenspiel zwischen den für Vertrieb sowie Abwicklung verantwortlichen Bearbeitern (z. B. Vertriebsingenieure, Projektierungsingenieure, Kaufleute des Anbieters) und die erfolgreiche Lösung zu-geordneter Aufgaben. Fertigung, Factory-Acceptance-Test (Werksabnahme), Monta-ge und Inbetriebsetzung sowie Site-Acceptance-Test (Probebetrieb/Abnahme) werden während der Abwicklungsphase in der Umsetzung (vgl. Bild 2-2) durchlaufen.

Bild 2-2: Abwicklungsphase

Bild 2-1 bzw. Bild 2-2 zeigen also, dass sich wesentliche Projektierungsleistungen jeweils auf Akquisitions- bzw. Abwicklungsphase verteilen. Das erscheint zunächst ungewöhnlich, erklärt sich aber aus der Tatsache, dass ein bestimmter Teil der Pro-jektierungsleistungen bereits in der Akquisitionsphase zu erbringen ist. Wesentliche Grundlage ist dabei das R&I-Fließschema (vgl. Abschnitt 3.3.3.1), das entweder vom Kunden bereits vorgegeben ist oder anhand des Verfahrensfließschemas (vgl. Ab-schnitt 3.3.2.3) vom Anbieter, d. h. von den Projektierungsingenieuren, zu erarbeiten ist. Aus dem R&I-Fließschema lassen sich gleichzeitig die erforderlichen Automatisie-rungsstrukturen (z. B. Ablauf- oder Verknüpfungssteuerung, einschleifiger Regelkreis,

Detail-Engineering (Bild 2-5)

Werksabnahme (Factory-Accep-

tance-Test)

• Erarbeitung von Pflichtenheft (Abschnitt 3.3.4.2) sowie wei-teren Projektierungsunterlagen (Abschnitt 3.3.4.3–3.3.4.7) durch Projektierungsingenieure.

• Steuerungs- sowie Regelungsentwurf (Abschnitt 3.3.4.8),

• Erarbeitung der Anwendersoftware (Abschnitt 3.3.4.8)

• Anstoß, Überwachung und Abnahme durch Projektleitung

• Beteiligte: Projektleitung des Auftragnehmers zusammen mit dem Auftraggeber unter Mitwirkung des Vertriebs

Probebetrieb/Abnahme (Site Acceptance Test)

Montage/IBS *)

• Beteiligte: Projektleitung des Auftragnehmers zusammen mit dem Auftraggeber unter Mitwirkung des Vertriebs,

• Parallel: Erarbeitung der Projektdokumentation (Anlagen-handbuch, Bedienhandbuch, Hardware-Dokumentation etc.)

• Anstoß, Überwachung und Abnahme durch Projektleitung, • Parallel: Schulung des Betriebspersonals

Fertigung

1

2 *) IBS: Inbetriebsetzung

Um

setz

ung

Kick-Off (Anlaufberatung)

• Präzisierung der Rahmenbedingungen für die Abwicklungs-phase (insbesondere Abstimmung von Organisation und Ab-läufen zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer)

2 Allgemeiner Ablauf von Automatisierungsprojekten 7

Kaskaden-, Split-Range-, Mehrgrößenregelung etc.) ableiten und in allgemeinen Funktionsplänen5 dokumentieren. Schließlich werden in der Servicephase (Bild 2-3) die zum erfolgreichen Dauerbetrieb wesentlichen Wartungs- und Instandhaltungsleistungen für die errichtete Automatisie-rungsanlage definiert und erbracht.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass der Ablauf eines Automatisierungsprojekts umfangreiche Aktivitäten zu Akquisition, sich anschließender Abwicklung sowie Ser-vice umfasst. Der Auftragnehmer wird folglich mit einer komplexen Planungs- und Koordinierungsaufgabe konfrontiert (Bild 2-4), die er sowohl funktionell als auch öko-nomisch erfolgreich lösen muss.

Bild 2-4: Technische/kommerzielle Planung sowie Koordinierung 5 Oft auch als Regelschema bezeichnet und nicht zu verwechseln mit der im Ab-

schnitt 3.4.5.2 erläuterten und zur Konfiguration und Parametrierung von speicher-programmierbaren Steuerungen (SPS) häufig verwendeten Fachsprache „Funk-tionsplan (FUP)“!

Service

2

Ende

• Regulierung von Gewährleistungsansprüchen, • Wartung und Instandhaltung,

• Anlagenmodernisierung (Softwareupdates, Austausch älterer Automatisierungsmittel – z. B. Messeinrichtungen, Rechner)

Kommerzielle Planung (Planung von Kosten, Umsatz

sowie Umsatztermin)

Kalkulation

Technische Planung (Planung von Abläufen)

Termine Ressourcen

Projektmit-arbeiter Prüffeld Fertigung

Technische/Kommerzielle Planung sowie Koordinierung

Koordinierung

Bild 2-3: Servicephase


Aus den bisherigen Erläuterungen ist erkennbar, dass unter dem Begriff „Projektie-rung“ die Gesamtheit aller Entwurfs-, Planungs- und Koordinierungsmaßnahmen zu verstehen ist, mit denen die Umsetzung eines Automatisierungsprojekts vorbereitet wird (vgl. Bild 2-2). Dies umfasst alle diesbezüglichen Ingenieurtätigkeiten (vgl. Bild 2-5) für die hier betrachteten Prozessklassen (vgl. Bild 1-3 auf S. 2). Die weiteren Ausführungen beziehen sich vorrangig auf das in Akquisitions- bzw. Ab-wicklungsphase zu erbringende Basic- bzw. Detail-Engineering (vgl. Abschnitt 3.3.3 bzw. Abschnitt 3.3.4), weil darin Hauptbetätigungsfelder für Projektierungsingenieure liegen. Wie Bild 2-1 und Bild 2-2 zeigen, bilden Basic- und Detail-Engineering den Kern des Projektierungsablaufs – deshalb Kernprojektierung genannt. Bild 2-5 zeigt den Kernprojektierungsumfang und nennt gleichzeitig diejenigen Ingenieurtätigkeiten, welche der Projektierungsingenieur bei der Kernprojektierung ausführt.

Bild 2-5: Kernprojektierungsumfang mit zugeordneten Ingenieurtätigkeiten6

Die Inhalte der Kernprojektierung werden im Folgenden detailliert und anwendungs-bezogen erläutert, wobei die vorgestellten Prozessbeispiele zum besseren Verständ-nis beitragen sollen. Diese Prozessbeispiele sind Komponenten des Experimentierfel-des „Prozessautomatisierung“, das die Autoren im Zusammenwirken mit den Firmen Festo Didactic und Siemens AG als experimentelle Basis für die Ausbildung im Fach-

6 Bezüglich Prozesssicherung Hinweis auf S. 14 beachten!

Basic-Engineering (vgl. Abschnitt 3.3.3) Erarbeitung R&I-Fließschema, Auswahl und Dimensionierung von

Sensorik, Aktorik, Prozessorik, Bussy-stemen sowie Bedien- und Beobach-tungseinrichtungen,

Erarbeitung des leittechnischen Men-gengerüsts,

Erarbeitung von Projektierungsunter-lagen als Angebotsbasis,

Angebotserarbeitung einschließlich technischer bzw. kommerzieller Pla-nung sowie Koordinierung

Detail-Engineering (vgl. Abschnitt 3.3.4) Erarbeitung des Pflichtenheftes, Erarbeitung von EMSR-Stellen-

plänen und weiteren Projektie-rungsunterlagen als Basis der Anlagenerrichtung,

Steuerungs- sowie Regelungs-entwurf,

Erarbeitung der Anwendersoft-ware

Kernprojektierungsumfang

Kernprojektierung


gebiet „Prozessautomatisierung“ entwickelt haben und u. a. auch für den anschauli-chen Wissenserwerb zur Projektierung nutzen.7 Für die Auswahl der Prozessbeispiele wurde von der bereits in der Einführung getroff-enen Einteilung industrieller Prozesse in kontinuierliche und ereignisdiskrete ausge-gangen (vgl. Bild 1-3 auf S. 2). So konnten mit der sogenannten Kleinversuchsanla-gentechnik8 (Bild 2-6) die Prozesskomponenten Füllstands-, Durchfluss- und Tempe-raturregelung als typische Module kontinuierlicher verfahrenstechnischer Prozesse entwickelt werden. Diese Module wurden mit modernen Automatisierungsstrukturen – basierend auf „klassischer“ Verdrahtung, Feldbustechnik wie „Profibus DP“ und „AS-Interface“ – sowie mit einem WinCC-basierten Prozessleitsystem ausgerüstet.

Bild 2-6: Kleinversuchsanlagentechnik des Experimentierfeldes „Prozessautomatisie-rung“

Hinsichtlich der Aufgabenstellung „Projektierung“ wurden für diese Kleinversuchsanla-gentechnik Feldinstrumentierung, Prozessleitsystem sowie die zugehörigen Kommu-nikationssysteme projektiert und realisiert. Auf diese Weise ist die Kleinversuchsanla-gentechnik für Regelstreckenidentifikation (Prozessanalyse), darauf aufbauenden Reglerentwurf sowie Regelkreisinbetriebnahme nutzbar. Das experimentelle Arbeiten wird beispielhaft anhand der WinCC-Bedienoberflächen im Bild 2-7 gezeigt. 7 Das Experimentierfeld „Prozessautomatisierung“ befindet sich am Institut für

Automatisierungstechnik der Technischen Universität Dresden und wird in der Ausbildung auch von der Fakultät „Elektrotechnik“ der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden genutzt.

8 Die Kleinversuchsanlagentechnik wird an der TU-Dresden sowie der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden im Lehrbetrieb genutzt und durch die Firma Festo Didactic unter dem Begriff „PCS – Process Control System“ angeboten bzw. vertrieben.

Füllstand Durchfluss Temperatur PCS7-compact

PCS7-compact Füllstand Operatorpanel OP7


Führungsverhalten Schwingen an der Stabilitätsgrenze

Bild 2-7: Durchflussregelkreis – Führungsverhalten und Schwingen an der Stabilitäts-grenze

Eine weitere wirkungsvolle Experimentier- und Demonstrationsmöglichkeit wurde mit dem modularen Produktionssystem „Prozessautomation“ der Fa. Festo Didactic (Bild 2-8) geschaffen. Mit dieser Anlage werden gleichfalls typische Beispiele aus der Verfahrenstechnik wie Station „Reaktor“ (Temperaturregelung am Rührkesselreaktor), Station „Filtern“ (Druckregelung am Filter), Station „Mischen“ (Durchflussregelung am Batch-Prozess) sowie Station „Abfüllen“ (Füllstandsregelung für ereignisdiskreten Abfüllprozess) realisiert und für die Durchführung entsprechender Experimente didak-tisch sinnvoll konfiguriert. Im Unterschied zur vorgestellten Kleinversuchsanlagen-technik basiert das modulare Produktionssystem „Prozessautomation“ auf einer um-fangreicheren mit ausgeprägt industriellen Automatisierungsmitteln realisierten Auto-matisierungsstruktur, verbunden mit erweiterter Funktionalität sowie Nutzung in Aus- und Weiterbildung. Des Weiteren werden in diesem Rahmen auch die projektierungsrelevanten Inhalte der Auswahl und Dimensionierung von Sensorik bzw. Aktorik zum Beispiel an Hand einer Stelleinrichtung (Versuchsstand vgl. Bild 2-9) hinsichtlich Aktorik behandelt. Die-se Stelleinrichtung als zentrale Komponente der mit dem Versuchsstand realisierten Durchflussregelstrecke ist entsprechend auszulegen und an der Durchflussregelstre-cke zu erproben.


Bild 2-8: Modulares Produktionssystem „Prozessautomation“ (MPS – PA)

Bild 2-9: Versuchsstand zur Auswahl und Dimensionierung von Stelleinrichtungen

Pneumatischer Stellantrieb mit Gleitschieberstellventil

Induktive Durchfluss- messeinrichtung

Station „Reaktor“ Station „Filtern“ Simatic S7-300 WinCC Station „Mischen“ Station „Abfüllen“


In gleicher Weise wurden auch ereignisdiskrete Prozesse betrachtet, wobei als ein Beispiel die Abfüllanlage entwickelt wurde (Bild 2-10), deren ereignisdiskrete Verfah-renstechnik einen typischen Stückgutprozess der industriellen Fertigungstechnik re-präsentiert.

Gesamtansicht Stationen

Bild 2-10: Ereignisdiskreter Prozess „Abfüllanlage“

Damit kann für die Prozessverfahrenstechnik das Zuführen, Befüllen, Verschließen und Entnehmen (und Verpacken) eines Bechers geplant und realisiert werden. Das heißt, dieser verfahrenstechnische Prozess benötigt im Einzelnen fünf Stationen (vgl. Bild 2-10), die wie folgt beschrieben werden:

1. An Station 1 – Becher zuführen – wird jeweils ein Becher dem sogenannten Rundschalttisch (Station 5) zugeführt.

2. Nach Ablauf eines Arbeitstaktes (Bewegung des Rundschalttisches um 90°) erreicht dieser Becher Station 2 – Becher füllen. An dieser Station wird der Becher mit der voreinstellbaren Menge einer Flüssigkeit gefüllt.

3. Nach Ablauf eines weiteren Arbeitstaktes steht der Becher an Station 3 – Be-cher verschließen – zum Verschließen bereit.

4. Schließlich wird nach nochmaligem Arbeitstakt (Bewegung des Rundschaltti-sches um 90°) an Station 4 – Becher entnehmen – der mit einem mechanisch rastenden Deckel verschlossene Becher zum Entnehmen (und Verpacken) bereitgestellt.

Für die jeweilige Bewegung des Rundschalttisches um 90° wird die Station 5 – Rund-schalttisch – eingesetzt. Damit steht für die Projektierung ereignisdiskreter Prozesse gleichfalls eine effiziente und anschauliche Beispielanlage zur Verfügung, welche typische Aufgaben für das Projektieren von Automatisierungsanlagen bereithält. Es wird dabei z. B. veranschaulicht, dass die zur Automatisierung ereignisdiskreter Pro-

Station 5 (Rund-

schalttisch)


zesse erforderlichen binären Steueralgorithmen theoretisch fundiert zu entwerfen und in eine technische Realisierung zu überführen sind (vgl. Abschnitt 3.4). Als eine industrielle Komponente des Experimentierfeldes „Prozessautomatisierung“ steht u. a. auch eine industrielle Durchflussregelstrecke zur Verfügung (Bild 2-11), die gleichfalls über eine moderne Feldinstrumentierung sowie Datenkommunikationsstruk-tur verfügt und damit ein praxisrelevantes Beispiel für die technische Auslegung in-dustrieller Sensorik, Aktorik, Prozessorik, Bedien- und Beobachtungseinrichtungen sowie den Regelkreisentwurf repräsentiert.

Bild 2.3–3 Industrielles Anlagenbeispiel - Da

Bild 2-11: Industrielle Durchflussregelstrecke

Bedien- und Be-obachtungssy-stem „WinCC flexible“

Speicherpro-grammierbare Steuerung SIMATIC S7-300

Stelleinrichtung

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