Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik
SS 2012, 03.04.2012 Dipl.-Ing. F. Doherr
CAE-PA Computer Aided Engineering in der Prozessautomatisierung
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 2
Organisatorisches
• Beteiligte Mitarbeiter der Professur für Prozessleittechnik Prof. Dr.-Ing. L. Urbas
Email: [email protected] Sprechstunde Dienstag, 3.DS, BAR/E24
Dipl.-Ing. Falk Doherr Email: [email protected]
Dipl.-Ing. Michael Obst Email: [email protected]
Dipl.-Ing. Markus Stöß Email: [email protected]
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 3
Ziele
- Engineering für die Prozessautomatisierung (PA)
- Vorgehen, planen, durchführen
- auslegen, spezifizieren (instrumentieren), simulieren
- Einsatz von CAE-Mittel für die PA
- verstehen, bewerten, auswählen
- anpassen, administrieren
Ope
rato
r
Engineering
Organisation
Proz
ess
Echtzeit-Programmierung,µ-Rechnertechnik, Sensorik, Aktorik,
Signalübertragung,Sicherheit- &
Verlässlichkeit
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 4
Inhalte
- Arten von PLT-Engineering-Projekten - Vorgehensmodelle, Projektphasen,
Schnittstellen zu anderen Gewerken - Kennzeichnungssysteme, Planungsdokumente - Informations- und Datenmodellierung - Datenintegration und Typicalkonzepte - PLT-Engineering, Instrumentierung - Anwendung von Werkzeugen
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 5
Ablauf
Vorlesung Frontalunterricht (Doherr, Obst, Stöß)
Einführung, Grundlagen, Methoden Forschungsansätze
Industriereferat(e) Anwendung in der Industrie
Praktikum (Übung) Vorlesungsvertiefenden Projektarbeit:
Durchführung eines „kleinen“ Engineeringprojektes mit dem CAE-Werkzeug Comos in Gruppenarbeit
Engineering einer Versuchsanlage
Beginn: 03.04., 6.DS, IfA-Pool (BAR/E35)
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 6
Terminplanung - Vorlesung
Termin Nr Thema 03.04 1 Einführung, PLT-Projekte, Vorgehensmodelle
10.04 2 Verfahrenstechnische Planung I – Prozessschritte Planungsdokumente (R&I-Fließbild)
17.04 3 Verfahrenstechnische Planung II - EMSR-Anforderungen 24.04 Exkursion - Hannover Messe 01.05 Maifeiertag 08.05 4 Gewerke, Sichten, Kennzeichnungssysteme, CA-Systeme 15.05 5 prozessleittechnische Planung I, Instrumentierung 1 (Auslegung) 22.05 6 prozessleittechnische Planung II, Kommunikation 29.05 Pfingsten – VDE/IfA Exkursion 05.06 7 prozessleittechnische Planung III, Funktionsplanung 12.06 8 Datenintegration (Engineeringdaten im Lebenszyklus, CAEX, ….) 19.06 9 Forschungsthemen: CBR im Engineering 26.06 10 Forschungsthemen: Automatisierung der Automatisierung 03.07 11 Industrievortrag - Engineering aus Sicht eines Anlagenbauers 10.07 12/1 Einsatz von Planungsdaten für Inbetriebnahme & Instandhaltung 10.07 12/2 Prüfungsvorbereitung, Feedback
• Mögliche Bewertungen • 4 SWS (Vorlesung und Praktikum)
• 2 SWS (nur Vorlesung)
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 7
Notenfindung
Praktikum21eKlausurnot
21
×+×=Endnote
Mündl. Prüfung / Klausur (wenn mehr als 20 TN) Kenntnis- und Fertigkeitsnachweis Gefestigtes Fachwissen Anwendung und Transfer von Methoden
Vorlesungsbegleitende Leistungen Projektarbeit (Bericht) Angemessen; Vollständig; Nachvollziehbar; Verständlich;
Alle Notenteile müssen bestanden werden!
eKlausurnot=Endnote
Hannover-Messe
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 8
Studenten-Exkursion zur Hannover-Messe 2012
Termin: Dienstag, 24.04.2012
Abfahrt: ???? 6.00 Uhr, Bayrische Straße (Hauptbahnhof)
Reise: Reisebus mit Frühstück und Abendessen
Vor-Ort: Führung über den Siemens Messestand
Teilnehmerpreis: nix
Anmeldung: bis 10.04.2012 (max. 19 Teilnehmer + Wartelisteplätze)
bei Frau Kindermann (BAR/E23)
Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik
CAE in der Prozessautomatisierung Engineering, Vorgehensmodelle, Gewerke
SS 2012, 03.04.2012 Dipl.-Ing. F. Doherr
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 10
Engineering
Funktionen (z.B. Verflüssigung von O2)
technisches Produkt
technisches Anlage Vorgehensweisen
(z.B. NAMUR NA35, PAS 1059)
Gerätemittel Engineeringprozess (-projekt)
Richlinien, Vorschriften Entwurf und Entwicklung
eines Projektes vom ersten Ansatz bis zur
abschließenden Umsetzung
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 11
Engineering
• der Begriff Engineering umfasst all die ingenieurtechnischen Aufgaben und Tätigkeiten, die während
Konzeption
Planung
Montage (Errichtung)
Inbetriebnahme
Betrieb
Außerbetriebnahme (Demontage, Abriss)
einer technischen Anlage ausgeführt werden
• der im Deutschen oft verwendete Begriff „(Anlagen)Projektierung“ kann nicht als strenge Übersetzung für „Engineering“ herangezogen werden, da die Tätigkeiten während des Betriebes (Konfiguration, Parametrisierung, Instandhaltungsplanung) nicht berücksichtigt werden
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 12
Engineering
Neuaufbau einer Anlage Anforderungen:
Verwendung von neuen Technologien, Methoden und Gerätschaften in allen Bereichen
Umsetzung von neuen Richtlinien (Bestimmungen) und Normen
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 13
Engineering
Ertüchtigung und Erweiterung einer Anlage
Anforderungen: Analyse und Beseitigung von Schwachstellen Integration von neuen Geräten und Systemen in eine alte Infrastruktur
(Migration) Reengineering der vorhandenen Strukturen (Aufwand hängt
entscheidend von Qualität und Aktualität der bestehenden Dokumentation ab)
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 14
Projekte
Projekt: Vorhaben zur Lösung von vordefinierten Zielen und Aufgaben, das im wesentlichen durch Einmaligkeit der Bedingungen in ihrer Gesamtheit gekennzeichnet ist, wie z.B. Zielvorgaben
Zeitliche, finanzielle, personelle oder andere Begrenzungen
Abgrenzung gegenüber anderen Vorhaben
projektspezifische Organisation
Projektmanagement:
Gesamtheit von Führungsaufgaben, -organisation, -techniken und -mittel für die effiziente Abwicklung eines Projektes
Projektwirtschaft:
Gesamtheit aller Einrichtungen und Maßnahmen, die dazu dienen, das Projekt zu realisieren
(DIN 69901)
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 15
Projekte
zeitliche Realisierung von Projekten (nach Lauber, R. u. Göhner, P. 1999)
Projektlaufzeit
t
Vorbereitungszeit Betriebszeit
Wartungs- und Pflegearbeiten
Projekt- durchführung
Vorarbeiten zur Projektvorbereitung
Durchführungs- entscheidung
Abnahme des Systems
(Qua
litat
iver
) U
mfa
ng d
er
Inge
nieu
rtät
igke
iten
im
Zus
amm
enha
ng m
it ei
nem
Pro
jekt
CAE@PA Folie 16
Projekte
Zusammenhang Projektdauer / Gewinn
Projektlaufzeit
t
Vorbereitungszeit Betriebszeit
Abnahme des Systems
Inte
gral
€
Break Even
CAE@PA Folie 17
∆ tBE
∆ tIBS
Projekte Zusammenhang Projektdauer /
wirtschaftlicher Erfolg
Projekt- laufzeit
t
Vorbereitungs- zeit
Betriebs- zeit
Frühere Abnahme des Systems
Inte
gral
€
Früherer Break Even
∆ €
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 18
Gewerke
• Marketing + Anwendungsforschung Kundenwünsche, Prognose, Potentialanalyse Idee
• Verfahrenstechnik, Chemie, Fertigungstechnik, (Regelungstechnik), Labor Machbarkeit, Prozessschritte Anforderungen, Randbedingungen, technischer Prozess
• Planungsabteilungen: Verfahrenstechnik (Betriebstechnik), Apparatebau, Stahlbau,
Rohrleitungsbau, Infrastruktur, Gebäudetechnik, Auslegungsplanung, Hydraulik, Pneumatik, Mechatronik, Antriebs- und Elektrotechnik (>230VAC), Umwelttechnik, Sicherheitstechnik, Arbeitsschutz, Werksschutz, Logistik IBS, Logistik Lager
Prozessleittechnik (Elektro <24VDC, Messen, Steuern, Regeln) + Informationstechnik (Netzwerke, Informationssysteme)
(Bestellwesen, IBS, Personalauswahl, Schulung & Training, …)
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 19
Projekte
Organisationsformen von Projekten Linienorganisation
• Nutzung der Linienstruktur der Abteilungen eines Unternehmens • Einsatz bei kleinen und überschaubaren Projekten (meist nur abteilungsspezifische Projekte) • Projektleitung durch Abteilungsleiter oder Gruppenleiter einer Abteilung
Unternehmensleitung
Abteilung 1 Abteilung 2 Abteilung x
Projektkoordinator
Projektteam Projektteam Projektteam
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 20
Projekte
Organisationsformen von Projekten Task-Force-Organisation
• Schaffung von eigenständigen Projektabteilungen, denen Mitarbeiter von Fachabteilungen zu 100% zugeordnet werden • Einsatz bei umfangreichen und langlaufenden Projekten • (Teil) Projektleitung durch Projektleiter bzw. Teilprojektleiter
Unternehmensleitung
Projektabteilung 1 Projektabteilung y Fachabteilung x
Projektleiter
Teilprojekt A Teilprojekt B
Teilprojekt- leiter
Teilprojekt- leiter
Projektleiter
Projektteam
Teilprojektteam Teilprojektteam
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 21
Projekte
Organisationsformen von Projekten Matrixorganisation
• eine für ein konkretes Projekt verantwortliche Projektleitung teilt an Abteilungsmitarbeiter Projektaufträge funktionelle Unterstellung
• die Mitarbeiter bleiben allerdings in ihre Fachabteilungen integriert strukturelle Unterstellung
• Disziplinarische Linienstruktur wird beibehalten
Unternehmensleitung
Abteilung 1 Abteilung 2 Abteilung x
Projektleitung Projekt I
Projektleitung Projekt II
Projektleitung Projekt X
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 22
Was sind Vorgehensmodelle?
„Zielgerichtetes Handeln setzt stets eine Vorstellung vom Objekt der Handlung und vom Weg einer Aufgabenstellung zu einem funktionierenden System voraus“ (Ahrens,W.; Scheurlen,H.J.; Spohr,G.-U. (1997))
funktionierendes System: • technische
Anlage • Software • Produkt • …
Idee: • technische
Anlage • Software • Produkt • …
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 23
Was sind Vorgehensmodelle?
• präskriptive Modelle, welche die Arbeitsabläufe bei der Ausführung von Handlungsprozessen beschreiben
• sie definieren:
Projekttätigkeiten und ihre Abfolge (Phasen), Abhängigkeiten und Ergebnisse ((Teil-)Produkte, Meilensteine)
die Standards, Richtlinien und Normen nach denen gearbeitet wird
die Werkzeuge, Hilfsmittel und Methoden mit denen die einzelnen Tätigkeiten durchgeführt werden
die Verantwortlichkeiten während eines Projektes
die Befugnisse, Kompetenzen und Qualifikationen der Projektbeteiligten
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 24
Was sind Vorgehensmodelle?
Realität Modellwelt
(nach Lauber, R. u. Göhner, P. 1999)
Abstraktion, Verallgemeinerung
Vorstellungen und Kenntnisse über den zweckmäßigen und
systematischen Projektablauf aus den Erfahrungen von
vergangenen Projekten
Ansatz für ein generell gültiges Vorgehensmodell
Der Ausbau und die detailliertere Ausarbeitung des
Modellansatzes durch Angabe der Tätigkeiten und der
anzuwendenden Methoden, Werkzeuge und Richtlinien
führen zum Vorgehensmodell.
Konkretion, Verwirklichung
Umsetzung der im Vorgehensmodell enthaltenen
Tätigkeiten bei der Durchführung von realen Projekten
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 25
Vorgehensmodelle - Ziele
• die zu bewältigende Aufgabe und der Lösungsweg sollen verdeutlicht werden (Leitlinie für die Handlungen der Projektbeteiligten)
• bessere Beherrschung der Größe und Komplexität eines Vorhabens (Überblick)
• Steigerung der Qualität und der Wirtschaftlichkeit der Projektarbeit
• Erhöhung der Qualität der Kommunikation der Projektbeteiligten untereinander (intern) und nach außen (”Man redet nicht aneinander vorbei.“)
• Realisierung von personenunabhängigen Vorgehensweisen
• Fehler sollen besser identifiziert werden (Verhinderung der Fortpflanzen und Potenzierung in Folgephasen)
• Schnellere Anpassung der benötigte Kapazitäten (manpower) und Ressourcen im Laufe des Projektes
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 26
V.modelle - Anforderungen
• praktikabel: die Handlungsdirektiven sollten unter den realen
Bedingungen (Zeit, zur Verfügung stehende
Hilfsmittel, …) umgesetzt werden können
• revisionsfähig: die durchzuführenden Tätigkeiten sollten überprüft
werden können (Qualitätssicherungstätigkeiten)
• unterstützend: ein Vorgehensmodell soll einem Projektmitarbeiter
helfen seine Aufgaben zu lösen und ihm nicht
seiner eigenen Kreativität berauben (sollte nicht
als Zwang empfunden werden)
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 27
Vorgehensmodelle
Beispiele für Vorgehensmodelle: • Informatik (Softwareentwicklung)
Wasserfallmodell V-Modell 97 / V-Modell XT (XT = Extreme Tailoring) Spiralmodell Prototyping Model Driven Architecture (MDA ) Extreme Programming (XP) …
• Anlagenplanung NAMUR-Arbeitsblatt 35 (Abwicklung von PLT-Projekten) PAS 1059 (Planung einer verfahrenstechnischen Anlage -
Vorgehensmodell und Terminologie) Process Plant Engineering Activity Modell (PPEAM)
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 28
Vorgehensmodell der NAMUR
NAMUR • Normenarbeitsgemeinschaft für Meß- und Regelungstechnik
in der chemischen Industrie • internationale Interessengemeinschaft für die
Automatisierungstechnik in der Prozessindustrie (Gemeinschaft von Anwendern)
• Arbeitsgebiete: Prozessleittechnik Steuerungstechnik Messtechnik Betriebsführungstechnik Elektrotechnik Prozessanalysentechnik
• erstellen aus Erfahrungen gewonnene Hilfsmittel, Empfehlungen und Anforderungen in einer strukturierten Form bereit (keine Normen oder Richtlinien)
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 29
Vorgehensmodell der NAMUR
• ist im NAMUR Arbeitsblatt NA 35 enthalten • zielt in erster Linie auf die Durchführung der leittechnischen
Projektierung für verfahrenstechnische Anlagen ab • wurde vom NAMUR-Arbeitskreis 1.1 ”Planungsmethodik“ erstmals
1993 veröffentlicht und wird seitdem angepasst • Intention hinter dem Modell: ”WAS ist WIE und WANN zu tun, um die Planung eines PLT-
Projektes effizient und effektiv durchführen zu können. “ • gliedert sich in die drei Hauptbereiche Projektierung, Qualitäts- und
Projektmanagement • in den Hauptbereichen werden hierarchisch strukturierte
Tätigkeiten beschrieben und ihnen Hilfsmittel und anzuwendende Methoden zugeordnet
• Hilfsmittel: CAE-Systeme, Gerätekatalog, Normen, Herstellerunterlagen, …
• Methoden: Analysieren, Synthetisieren, Berechnen, Standards anwenden, Standardisiertes Gespräch, Brainstorming, …
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 30
Vorgehensmodell der NAMUR
Phasenmodell des Hauptbereiches „Projektierung“
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 31
Vorgehensmodell der NAMUR
Projektphasen des Hauptbereiches „Projektierung“ • Grundlagenermittlung die durchführbare Anlage
auf Grundlage des Auftrages und der Verfahrensplanung werden die Ziele des PLT-Projektes erarbeitet (Groblastenheft)
Schätzung der Grobkosten mit Genauigkeit von ± 30 %
• Vorplanung die genehmigungsfähige Anlage Festlegung auf ein Anlagenkonzept (endgültiges Lastenheft) Schätzung Kosten mit Genauigkeit von ± (10 – 20) %
• Basisplanung die ausschreibbare Anlage PLT- und Sicherheitsfunktionen werden genau spezifiziert und ihnen
gerätetechnische Realisierungen zugeordnet Festlegung der Struktur des Prozessleitsystems (PLS) und Erarbeitung
der PLS-Aufgaben Kalkulation der Kosten mit Genauigkeit von ± (5 – 10) %
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 32
Vorgehensmodell der NAMUR
Projektphasen des Hauptbereiches „Projektierung“ • Ausführungsplanung die errichtbare Anlage
Festlegung der konkreten Geräte (Mess- und Stelltechnik, zentrale Einrichtungen, Leitsystem)
Erstellung der detaillierten und vollständigen Unterlagen, die zum Beschaffen, Errichten, Betreiben und Instandhalten der Hardware sowie der Software für das PLS
• Errichtung die funktionsfähige Anlage während dieser Phase sind die Beschaffung abzuwickeln, die
Montage zu überwachen und Überprüfungen durchzuführen Erstellung und Konfiguration der PLT-Funktionen Aktualisierung der Dokumentation
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 33
Vorgehensmodell der NAMUR
Projektphasen des Hauptbereiches „Projektierung“ • Inbetriebsetzung die produktionsfähige Anlage
den Mitarbeitern des Anlagenbetreibers wird Hilfestellung beim Inbetriebsetzen gegeben und Funktionen und Parameter der Gerätschaften werden optimiert
Übergabe der nochmals aktualisierten Anlagendokumentation an den Anlagenbetreiber
• Projektabschluss die bewertete und abgerechnete Anlage in einem Abschlussbericht werden Projektbesonderheiten und
aufgetretenen Schwierigkeiten herausgestellt, um sie als Erfahrungsvorrat für spätere Projekte nutzen zu können
Erstellung einer Nachkalkulation
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 34
PPEAM
• das Process Plant Engineering Activity Modell (PPEAM) ist Grundlage für die Ansätze der PI-STEP-Initiative
• PI-STEP: Process Industries - Standard for the Exchange of Product Model Data
• Ziel ist eine durchgehende Produkt-Daten-Standardisierung
• PPEAM beschreibt die Tätigkeiten und den Datenaustausch in und zwischen allen Lebensphasen einer technischen Anlage und allen involvierten Arbeitsbereichen
• es findet eine grundsätzliche Aufteilung der Aufgabenbereiche zwischen dem Prozess- und dem Anlagenengineering statt
• zwischen den einzelnen Tätigkeiten kommt es zum Austausch von Anforderungen, Spezifikationen, Zertifikaten, Plänen, Protokollen, Kostenvoranschlägen, Materialien, Equipments u.a.
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 35
PPEAM
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 36
PAS 1059
• PAS - Publicly Available Specification - diese öffentlich verfügbaren Spezifikationen werden als Ergebnisse von Standardisierungen angesehen und ihre inhaltliche Verantwortung liegt jeweils bei dem verfassenden Arbeitskreis und nicht beim DIN e.V., welcher sie veröffentlicht
• beinhaltet alle Vorgänge, die während der Planungsphase zu bewerkstelligen sind
• zielt im Besonderen darauf hin, innerhalb eines Unternehmens und der immer häufiger bestehenden Unternehmensnetzwerke den Informationsaustausch zu optimieren und Unterschiede bei Begriffsdefinitionen von vornherein auszuschließen
• einzelnen Tätigkeiten werden mittels Vorgangsdiagrammen hierarchisch und chronologisch dargestellt
• jedem Diagramm ist jeweils eine Vorgangstabelle zugeordnet, um die Aktivitäten zu präzisieren und ihre Ergebnisse, wie bspw. Pläne, Bilanzen, Beschreibungen, Konzepte und Listen, anzugeben
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 37
PAS 1059
Haupt- und 1.ste Teilvorgänge
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 38
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 39
PAS 1059
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 40
Vergleich der Vorgehensmodelle
Ausdehnungsbereich über die Lebensphasen und Gewerke
• das PPEAM und das Vorgehensmodell der PAS 1059 beinhalten
Tätigkeiten für einen Großteil der beteiligten Gewerke • das Vorgehensmodell der NAMUR behandelt ausschließlich die
Aufgaben der Prozessleittechnik
Verfahrens-planung
Basis -planung
Detail -planung Montage Inbetrieb -
nahme Betrieb Außerbe-triebnahme
PAS 1059
PPEAM
NA 35
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 41
Vergleich der Vorgehensmodelle
Informationsfluss • sowohl im PPEAM als auch im Vorgehensmodell der NAMUR wird
deutlich, welche Daten und Dokumente zwischen den Aktivitäten und Tätigkeiten ausgetauscht werden müssen
• im Vorgehensmodell der PAS 1059 wird nicht klar welche Dokumente eine Tätigkeit von vorgelagerten Tätigkeiten benötigt
Periphere Aktivitäten • alle drei Modelle beinhalten parallel zu den Engineeringtätigkeiten
auch Projektmanagementaktivitäten
• das Qualitätsmanagement ist einzig im Modell nach NAMUR ein eigenständiges Hauptgebiet
Zusammenspiel VT-AT
Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 42
VT Vorplanung
VT Detail Engineering
AT Basic Engineering
AT Detail Engineering
HAZOP ALARM HMI
Verfahrenstechnik
Automatisierungs- technik
Mensch-Maschine Systemtechnik
VT Basic Engineering
PLT Vorpl.