Vorwort

Taschenbuch der Automatisierung

Herausgegeben von Reinhard Langmann

ISBN: 978-3-446-42112-7

Weitere Informationen oder Bestellungen unter

http://www.hanser.de/978-3-446-42112-7

sowie im Buchhandel.

© Carl Hanser Verlag, München

Vorwort

Das vorliegende Taschenbuch fasst die wichtigsten Themenbereiche zusam-men, die für die Automatisierung technischer Prozesse erforderlich sind. DasBuch löst sich bewusst von einer sonst eher gerätebezogenen bzw. prozess-orientierten Strukturierung, wie sie üblicherweise in automatisierungstechni-schen Lehrgebieten (z. B. Automatisierungstechnik, Prozessleittechnik, Pro-zessautomatisierung, Fertigungsautomatisierung) anzutreffen ist. Es versuchtmittels einer übergreifenden Systemstrukturierung die gemeinsamen Aspekteunabhängig von der Art des technischen Prozesses hervorzuheben.

Automatisierung ist heute ohne moderne Informations- und Kommunikations-technologie nicht mehr denkbar. Die Darstellung der einzelnen Themen imTaschenbuch nimmt deshalb soweit sinnvoll auf die informationstechnischenInhalte Bezug.

Ein Taschenbuch als Nachschlagewerk erfordert von den Autoren eher dieKunst des Weglassens als die des Hinzuschreibens. Das interdisziplinäreTeam der Autoren hat sich bemüht, die Kernaussagen zu berücksichtigen unddarüber hinausgehende Inhalte zu verdichten und mit markanten praktischenBeispielen zu ergänzen.

In der vorliegenden zweiten Auflage wurden entsprechend der Wünscheund Hinweise der Leser einige Themen leicht erweitert (z. B. SPS-Technik,Automatisierung diskontinuierlicher Prozesse, Stellglieder), andere musstendazu aber reduziert werden (z. B. Sensoren). Alle Kapitel wurden hinsichtlichdes aktuellen Standes der Technik überarbeitet und z. T. auch ergänzt (z. B.digitale Fabrik).

Für die konstruktive Mitarbeit aller Autoren sowie für die freundliche undkompetente Unterstützung durch den Fachbuchverlag Leipzig möchte ichmich bedanken und wünsche allen Lesern ein erfolgreiches Stöbern undNachschlagen in diesem Taschenbuch.

Auch für die zweite Auflage sind die Autoren und der Herausgeber fürHinweise und Anregungen aus dem Leserkreis dankbar und werden diese beiweiteren Nachauflagen berücksichtigen.

Solingen, im März 2010 Reinhard Langmann

Leseprobe

Taschenbuch der Automatisierung

Herausgegeben von Reinhard Langmann

ISBN: 978-3-446-42112-7

Weitere Informationen oder Bestellungen unter

http://www.hanser.de/978-3-446-42112-7

sowie im Buchhandel.

© Carl Hanser Verlag, München

00 EinleitungReinhard Langmann

0.1 Begriff der Automatisierung

Der Begriff Automation oder Automatisierung kommt vom griechischenWort „auto“ und bedeutet die selbstständige Ausführung eines Prozesses, beidem Material, Informationen und Energie verändert oder umgeformt werden.Erste bekannte automatisierungstechnische Anwendungen stammen aus demJahr 230 v. u. Z. Zu dieser Zeit entwickelte der Grieche PHILON eine Öllampemit Niveauregelung.

Nach DIN 19 233 bedeutet Automatisieren künstliche Mittel einzusetzen,damit ein Vorgang selbsttätig abläuft.

Im Laufe der vergangenen 2000 Jahre hat sich der Inhalt der Automatisierunggravierend verändert. Man kann dabei im Wesentlichen drei Phasen unter-scheiden:

Bis Anfang des letzten Jahrhunderts stand in der ersten Phase der Auto-matisierung die Mechanisierung im Mittelpunkt.Danach, in der zweiten Phase, erfolgte eine stürmische Entwicklung derAutomatisierung durch den Einsatz der Elektrizität, Elektrotechnik undElektronik.Aktuell befindet sich die Automatisierung durch den verstärkten Einsatz derRechentechnik und Informationstechnologie bereits in der dritten Phase.

Die Automatisierung durchdringt unser tägliches Leben zwar immer stärker,wird jedoch immer weniger wahrgenommen. Aus diesem riesigen Gebietbehandelt dieses Taschenbuch primär Inhalte der technischen Automatisie-rung. Eine Reihe von Grundprinzipien, Algorithmen und Modelle gilt aberauch im Bereich der nichttechnischen Automatisierung (z. B. Regelungsal-gorithmen oder Zustandsmodelle bei selbsttätigen biologischen oder gesell-schaftlichen Abläufen).

0.2 Fachinhalt

Die Automatisierung technischer Prozesse war und ist als Fachdisziplin gese-hen immer außerordentlich stark interdisziplinär geprägt. Diese Interdiszi-plinarität bezieht sich sowohl auf die fachlichen Inhalte wie auch auf die Artder zu automatisierenden technischen Prozesse.

20 0 Einleitung

Bisher gibt es keinen fest definierten Fachinhalt der Automatisierung, son-dern abhängig vom Einsatzbereich werden die Fachinhalte unterschiedlichinterpretiert. Es existieren aber wohl allgemein anerkannte Kernfelder (Ba-sistechniken) der Automatisierung und darüber hinaus weitere Fachfelder, dieintegrative Wirkung besitzen (Integrationstechniken).

Basistechniken der Automatisierung:Sensor- und AktortechnikRegelungstechnikSteuerungstechnikLeittechnikRobotertechnik

Integrationstechniken der Automatisierung:RechnertechnikInformationstechnikKommunikationstechnikMensch-Maschine-SystemeStruktur- und SystemtechnikManagementtechniken

Regelungstechnik

Steuerungstechnik

Leittechnik

Robotertechnik

Automatisierungvon Fließprozessen

Automatisierungvon Folgeprozessen

Bild 0.1 Beispiel für die unterschiedliche Gewichtung der Fachinhaltebei der Automatisierung

0.2 Fachinhalt 21

0

Je nach Art des technischen Prozesses (Fließ-, Folge- oder Stückgutprozess)werden die einzelnen Techniken der Automatisierung mit unterschiedlicherGewichtung zugeordnet (→ Bild 0.1).

Das vorliegende Taschenbuch als ein allgemein gültiges Nachschlagewerkorientiert sich mehr an den Integrationstechniken der Automatisierung undordnet die Basistechniken in diese ein. Damit ergibt sich der in Bild 0.2visualisierte Fachinhalt der Automatisierung.

Rechner

Strukturen

Kommunikation

Modelle

Mensch-Maschine-Systeme

Komponenten

Projekte

Sensoren

Aktoren

Regelungstechnik

Steuerungstechnik

AnwendungenCNC-Technik

KI-Systeme

Robotik

Rezeptsteuerung

Programme

Basistechniken(prozesstypunabhängig)

Basistechniken(prozesstypabhängig)

Bild 0.2 Fachinhalt der Automatisierung entsprechend dem vorliegendenTaschenbuch (markierte Teile – Basistechniken, nichtmarkierte Teile –Integrationstechniken)

Auch hier ist jedoch festzustellen, dass im Taschenbuch jeweils der eineoder andere Prozesstyp bei der Darstellung der Inhalte überwiegt. Über alleKapitel gesehen sollte sich dies jedoch ausgleichen, sodass insgesamt eineausgewogene und allgemein gültige Darstellung der Fachinhalte erfolgt. ZurVertiefung für die Automatisierung bestimmter Prozesstypen muss dann diejeweilige Spezialliteratur herangezogen werden.

1 StrukturenNorbert Große, Wolfgang Schorn

1.1 Automatisierung technischer Prozesse

1.1.1 Grundbegriffe

1.1.1.1 Prozess und Prozesstechnik

Unter einem Prozess versteht man Abläufe, mit welchen Materie, Ener-gie oder Information umgeformt bzw. transportiert werden, DIN EN ISO10 628 /1.1/. Die Prozesstechnik befasst sich mit der Durchführung sol-cher Vorgänge.

Nach SCHÖNE /1.2/ und TGL 25 000-1 /1.3/ definiert man weitere Teilgebiete(→ Bild 1.1).

Informations-technik

Formgebungfür einzelneWerkstücke

UmwandlunggebundenerEnergien

ChemischeVeränderungenformloser Stoffe

Gewinnung undUmwandlung vonInformation

Erzeugen vonProdukten

Ausführen vonProzessen

Prozess-technik

Verfahrens-technik

Energie-technik

Fertigungs-technik

Produktions-technik

umfasst umfasst

umfasst umfasst umfasst

Bild 1.1 Teilgebiete der Prozesstechnik nach SCHÖNE /1.2/

1.1.1.2 Produktionstechnik

Bei der Produktionstechnik geht es um die Herstellung von Produkten und umdie Gewinnung nutzbarer Energien. Hierbei unterscheidet man drei Kategori-en:

Gegenstand der Verfahrenstechnik ist das Erzeugen formloser Stoffe.Dies sind typisch Gase, Flüssigkeiten, Pasten, Pulver, Granulate und dgl.

1.1 Automatisierung technischer Prozesse 23

1

Verfahrenstechnische Prozesse werden nach DIN EN ISO 10 628 /1.1/ auchVerfahren genannt. Verfahrensklassen sind Fließverfahren (Konti-Ver-fahren) zur kontinuierlichen Herstellung großer Stoffmengen über längereZeiträume und Chargenverfahren (Absatzverfahren) für häufig wech-selnde Produkte.Das Ziel der Fertigungstechnik ist die Herstellung einzelner Werkstücke(Erzeugnisse) mit definierter Form und festgelegten Abmessungen. Beidiesen Gütern spielt die geometrische Gestalt eine wichtige Rolle. Fer-tigungstechnische Prozesse heißen auch Fertigungen. Hier gibt es dieLinienfertigung für die Herstellung großer Produktmengen über längereZeiträume und die Werkstattfertigung bei wechselnden Produkten kleine-rer Stückzahl.Im Bereich der Energietechnik werden gebundene Energien in Energie-formen umgesetzt, welche sich unmittelbar in technischen Anwendungennutzen lassen. Es geht dabei um das Umwandeln, Transportieren undSpeichern von Energie.

1.1.1.3 Informationstechnik

Bei informationstechnischen Prozessen befasst man sich mit der Gewinnungund Auswertung von Informationen. Unter anderem gehören Mess- undPrüfprozesse ebenso dazu wie die Vorgänge bei der Informationsverarbeitungmittels EDV-Anlagen und Prozessleitsystemen.

1.1.2 Strukturierung produktionstechnischer Prozesse

1.1.2.1 Prozessabschnitte

Untergliedern kann man produktionstechnische Prozesse in weitere Ein-heiten, die sog. Prozessabschnitte (DIN 61 512-1 /1.5/). Hierunter sindTeile von Prozessen zu verstehen, welche sich organisatorisch weitgehendautark ausführen lassen und zur Verarbeitung von Stoffen dienen. DieAufteilung eines Prozesses in Abschnitte ist von großer Bedeutung für dasAufrechterhalten der Produktion bei Störungen oder kurzzeitigen Außerbe-triebnahmen etwa für Wartungsaufgaben und muss beim Anlagenbau durchdas Einrichten von Pufferbehältern oder Zwischenlagern berücksichtigtwerden.

In der Fertigungstechnik spricht man von Fertigungsabschnitten, in der Ver-fahrenstechnik von Verfahrensabschnitten. In Anlehnung an EIGENBERGER

/1.6/ sind folgende Kategorien von Verfahrensabschnitten entsprechend derArt der technologischen Vorgänge unterscheidbar:

24 1 Strukturen

Stoffaufbereitung: Hierbei werden die zu verarbeitenden Einsatzstoffefür die Produktion vorbereitet, z. B. zerkleinert, aufkonzentriert usw. Diechemischen Stoffeigenschaften werden hierbei nicht verändert.Stoffumwandlung: In einem solchen Verfahrensabschnitt stellt man die ei-gentlichen Produkte her. Es finden chemische Vorgänge (Reaktionen) statt,wobei neue Stoffe (i. Allg. auch unerwünschte Nebenprodukte) entstehen.Stoffaufarbeitung: Die produzierten Ausgangsstoffe werden Nachbehand-lungsschritten unterzogen. Hierzu gehören beispielsweise Trennvorgängesowie Abfüll- und Verpackungsarbeiten. Auch hier bleiben die Stoffeigen-schaften erhalten.

Eine alternative Möglichkeit der Definition von Verfahrensabschnitten ergibtsich aus der zur Ausführung gewählten Produktionsmethode (kontinuierlich,diskontinuierlich).

1.1.2.2 Prozessoperationen

Prozessabschnitte setzen sich aus Vorgängen zusammen, welche die Eigen-schaften von Stoffen oder Energien beeinflussen oder dem Transport oderder Speicherung dienen. Diese Vorgänge heißen nach DIN 61 512-1 /1.5/Prozessoperationen.

Operationen der Fertigungstechnik nennt man Fertigungsoperationen; eineOperation zur Werkstückbearbeitung wird nach MEINBERG, TOPOLEWSKI

/1.26/ auch als Fertigungsstufe bezeichnet.

In der Verfahrenstechnik spricht man von Grundoperationen. Bei diskonti-nuierlicher Produktion besteht ein Verfahrensabschnitt aus einer sequenziellenFolge solcher Operationen, welche jeweils zu quasistationären Zwischenzu-ständen mit definierten Produkteigenschaften führen. Kontinuierliche Verfah-rensabschnitte enthalten – abgesehen von An- und Abfahrvorgängen – stetseine Grundoperation. Leittechnische Grundoperationen sind nach NAMUR

NE 33 /1.7/ Arbeitsfolgen zur Realisierung der nachstehend beschriebenenverfahrenstechnischen Grundoperationen sowie von Speicher- und Trans-portoperationen.

Nach TGL 25 000-1 /1.3/ stellen verfahrenstechnische Grundoperatio-nen zielgerichtete Handlungen dar, mit welchen man Zwischenproduktemit definierten Eigenschaften erzeugen kann. Mittels solcher Grundope-rationen werden über physikalische Vorgänge die Zusammensetzung, derVerteilungsgrad oder der Energieinhalt des betreffenden Guts verändert.

1.1 Automatisierung technischer Prozesse 25

1

Der zugrunde liegende angelsächsische Begriff Unit Operation wurde 1915von LITTLE /1.8/ in den USA geprägt. Nach TGL 25 000-1 /1.3/ kann manfolgende Einteilung vornehmen:

Grundoperationen zur Stofftrennung: Hiermit sind z. B. Vorgänge zumDestillieren, Filtrieren, Trocknen, Eindampfen, Kondensieren etc. verbun-den.Grundoperationen zur Stoffvereinigung: Dazu zählt man das Kneten,Suspendieren, Verschmelzen, Mischen von Gasen usw.Grundoperationen zur Stoffzerteilung: Hierzu gehören das Brechen,Mahlen und Zerschneiden.Grundoperationen zum Agglomerieren: Diese bedeuten z. B. Tablettie-ren, Brikettieren, Sintern.Grundoperationen zum Ändern der Enthalpie: Hierunter versteht manAufheiz- und Abkühlvorgänge wie etwa Verdampfen, Erstarren, Konden-sieren, Erwärmen und Abkühlen von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen.

1.1.2.3 Prozessschritte

Die Elemente der Prozessoperationen sind nach DIN 61 512-1 /1.5/ Pro-zessschritte. Solche Schritte lassen sich nicht sinnvoll in kleinere, prozess-technisch autonome Einheiten zerlegen; sie sind die unterste Stufe defi-nierbarer Vorgänge innerhalb eines technischen Prozesses. Prozessschrittewerden durch Prozessereignisse oder menschliche Eingriffe beendet.

In der Fertigungstechnik kann man zwei Klassen von Fertigungsschrittenunterscheiden:

Handhabungsfunktionen nach VDI 2860 /1.27/ dienen zum Positionierenund zum Prüfen von Werkstücken.Mit Arbeitsvorgängen nach TGL 21 639 /1.28/ werden Werkstücke bear-beitet.

In der Verfahrenstechnik werden die Begriffe Verfahrensschritt und – nachNAMUR NE 33 /1.7/ – Grundfunktion verwendet. Beispiele sind Vorgängewie Rühren, Dosieren und Heizen.

1.1.3 Darstellungsformen für Prozesse

1.1.3.1 Grundfließbild

Das Grundfließbild entsprechend DIN EN ISO 10 628 /1.1/ gibt Vorgängeund deren Zusammenhänge mit Rechtecken und gerichteten Linien wieder.

Bild 1.2 zeigt die Darstellung eines Verfahrens.

26 1 Strukturen

AbgaswäscheZerkleinerung

Lösung Reaktion Konzentration

Rück-gewinnung

destillationRein-

Bild 1.2 Grundfließbild nach DIN EN ISO 10 628 /1.1/

Bei produktionstechnischen Prozessen bedeuten diese Rechtecke je nachDetaillierungsstufe Prozessabschnitte, Prozessoperationen oder Prozess-schritte. Die gerichteten Linien repräsentieren konditionale Zusammenhänge.Speicher- und Transportoperationen werden nicht mit eigenen Symbolendargestellt.

1.1.3.2 Formalisierte Prozessbeschreibungen

Als Alternative zum Grundfließbild kann man formalisierte Prozessbe-schreibungen (auch unter der Bezeichnung Phasenmodelle bekannt) nachVDI/VDE 3682 /1.29/ verwenden. Sie beschreiben das Wechselspiel zwi-schen Stoffen und Energien einerseits und Vorgängen andererseits.

Diese Darstellungsformen kennen folgende Objekttypen mit zugehörigenTypkennzeichen TK und grafischen Symbolen:

Stoffe (TK: P) werden durch Kreise dargestellt, Energien bzw. Energieträ-ger (TK: E) durch Rauten.Vorgänge wie z. B. Prozessabschnitte oder -operationen (TK: O) gibt manmit Rechtecken (sog. Prozessoperatoren, früher als Prozesselemente be-zeichnet) wieder. Ein Prozessoperator kann wiederum eine formalisierteProzessbeschreibung beinhalten; ein Vorgang kann also seinerseits in Vor-gänge zerlegt oder dekomponiert werden. Formalisierte Prozessbeschrei-bungen können hierarchisch aufgebaut sein.Für Ressourcen wie etwa Teilanlagen oder technische Einrichtungen (TK:T→ 1.1.4.3) werden Langrunde verwendet.Stoff- oder Energieflüsse (ohne TK) stellt man mit einfachen Pfeilen dar,Ressourcennutzungen (ohne TK) mit gestrichelten Doppelpfeilen.Die Systemgrenze (auch: Bilanzraum) der betrachteten Vorgänge (TK: B)wird durch ein gestricheltes Rechteck wiedergegeben.

1.1 Automatisierung technischer Prozesse 27

1

Eindeutige Bezeichnungen (Idents, engl. auch tags) von Objekten erhält mandurch Kombination des Typkennzeichens mit einer alphanumerischen Zei-chenfolge. Bei Ressourcen lässt sich ein „sprechendes“ Ident z. B. aus einemAnlagenstrukturkennzeichnungssystem AKZ (→ 1.1.5.2) ableiten, sodass ei-ne Pumpe in einer Destillationsteilanlage etwa mit T_DS1PA10 bezeichnetwerden kann.

Bild 1.3 enthält als Beispiel zwei ortssequenzielle Verfahrensabschnitte.

O_Reaktion T_CA10

P_ES

E_Dampf-1

P_LM

O_Destillation

P_Z-Prod

P_E-Prod P_LM-R

E_Kond-1

E_Kond-2

E_Dampf-2

T_DS10

Bild 1.3 Einfaches Beispiel für eineformalisierte Prozessbeschreibung

Im Verfahrensabschnitt Reaktion wird ein Zwischenprodukt Z-Prod ausEinsatzstoff ES und Lösemittel LM erzeugt. Hierzu wird als EnergieträgerHeizdampf Dampf-1 verwendet, welcher als Kondensat Kond-1 wiederaustritt. Die Reaktion läuft in der technischen Ressource (einer Teilanlage→ 1.1.4.2) CA10 ab.Im Verfahrensabschnitt Destillation wird das Zwischenprodukt Z-Prod inLösemittel LM-R und Endprodukt E-Prod aufgespalten. Auch hier wirdals Energieträger Heizdampf Dampf-2 verwendet, welcher als KondensatKond-2 wieder austritt. Die Destillation läuft in der Teilanlage DS10 ab.

28 1 Strukturen

Der Informationshaushalt von Prozessen wird durch Attribute der zugehöri-gen Objekte beschrieben. Hierbei unterscheidet man zwischen Kennzeichenund Merkmalen.

Das Kennzeichen (die Identifikation) eines Objekts enthält das bereitsangegebene Ident, einen Langnamen, einen Kurznamen, Versionsangabenu. a. Hinzu kommen objektspezifische Verweise auf Zusatzinformationen,bei einem Prozessoperator z. B. auf Produkte und Energien.Die Merkmale (Charakteristika) umfassen jeweils wiederum ein Kennzei-chen (hier auch Kategorie genannt), eine Beschreibung (z. B. physikalischeEinheit, Grenzwerte, Messwerthistorie) und ggf. Referenzen auf weitereInformationen, z. B. auf Prozessmodelle.

1.1.3.3 GRAFCET-Plan

Eine weitere Möglichkeit zur Darstellung von Prozessen ist der GRAF-CET-Plan (auch Ablaufplan, Funktionsplan) mit Symbolen nach DIN EN60 848 /1.30/ (→ 4.3.5). Man verwendet ihn, wenn man die zur Prozess-durchführung erforderlichen Steuerungsaktivitäten hervorheben will. Bild1.4 gibt als Beispiel ein diskontinuierliches Verfahren wieder.

LösungÜbernehmen Stoff 1Übernehmen Stoff 2Übernehmen Lösem.sonstige Aktionen ...

Reaktion

E.-Stoff 2 fertig

Start

Rein-destillation

Rückge-winnung

Ende

Konzen-tration

Abgas-wäsche

Bild 1.4 GRAFCET-Plan für ein Verfahren

Bei einem GRAFCET-Plan stellen die Rechtecke Maßnahmen (Steuer-schritte) zur Durchführung von Vorgängen dar. Auch hier können dieseVorgänge Prozessabschnitte oder Prozessoperationen sein. Die gerichtetenLinien repräsentieren konditionale Zusammenhänge, und die Bedingungen