Anwendungsgebiete und Aufgaben der Leittechnik - Fakultät ...
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<strong>Fakultät</strong> ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik<br />
<strong>Aufgaben</strong> <strong>und</strong> Strukturen<br />
<strong>der</strong> Prozessleittechnik - I<br />
VL Prozessleittechnik 1<br />
SS 2013<br />
Professur für Prozessleittechnik
Übersicht<br />
• Einordnung des Themengebiets<br />
• Prozessführung, Prozessleittechnik, Prozessleitsystem<br />
• Historische Entwicklung<br />
• Automatisierungsstufen, Sichtbare Verän<strong>der</strong>ungen<br />
• <strong>Aufgaben</strong> <strong>der</strong> PLT<br />
• Basisaufgaben Automation, Basisaufgaben Information<br />
• Strukturen <strong>und</strong> Architekturen<br />
• Anfor<strong>der</strong>ungen, Funktions- <strong>und</strong> Ebenenmodelle, Komponenten<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 2
<strong>Fakultät</strong> ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik<br />
Einordnung des<br />
Themengebiets
Prozessleittechnik (PLT)<br />
• 1980: Arbeitstitel für die Zusammenführung von MSR <strong>und</strong><br />
Elektrotechnik bei Bayer (Polke 1994), heute EMR<br />
• Heute: Zusammenführung von<br />
• Mess,- Steuer, <strong>und</strong> Regelungstechnik<br />
• Signalorientiert<br />
• Systemtheorie, Regelungsentwurf<br />
• Informations- <strong>und</strong> Kommunikationstechnik<br />
• Informationsorientiert<br />
• Informatik, Entwurf von Rechnerkomponenten (Hard- <strong>und</strong> Software)<br />
• Mensch-Maschine-Systemtechnik<br />
• Prozessorientiert<br />
• Human Factors, Entwurf von zuverlässigen Mensch <strong>und</strong> Maschine<br />
umfassenden Gesamtsystemen<br />
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Prozessführung<br />
• Mittel <strong>und</strong> Methoden zur zielgerichteten Planung <strong>und</strong> Ausführung<br />
von Prozessführungsstrategien für den sicheren <strong>und</strong><br />
wirtschaftlichen Betrieb von technischen Prozessen.<br />
Wissensgebiet <strong>der</strong> Prozessführung<br />
technischer<br />
Prozess<br />
Automatisierungssystem<br />
Prozess-<br />
Automatisierung<br />
Prozessleittechnik<br />
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Arbeitsgebiete <strong>der</strong> Professur für PLT<br />
chemical/<br />
physical<br />
process<br />
Quality related<br />
Systems (PCS)<br />
Safety related<br />
System (SIS)<br />
Integrated PCS<br />
Engineering<br />
Process Control Systems Engineering<br />
Human Factors<br />
Engineering<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 6
Lehrmodule<br />
Mikrorechentechnik<br />
Algorithmen, Datenstrukturen, Programmiersprachen<br />
Prozessleittechnik<br />
<strong>Aufgaben</strong>, Architekturen, Dienste, Methoden<br />
WPFS<br />
Wissensbasierte<br />
Prozessführungssysteme<br />
CAE-PA<br />
Integriertes Engineering<br />
von AT-Systemen<br />
MMS<br />
Mensch-Maschine-<br />
Systemtechnik<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 7
Prozessleittechnik<br />
• Mittel <strong>und</strong> Verfahren die dem Steuern, Regeln <strong>und</strong> Sichern<br />
prozesstechnischer Anlagen durch Leiteinrichtungen dienen<br />
Wissensgebiet <strong>der</strong> Prozessführung<br />
technischer<br />
Prozess<br />
Automatisierungssystem<br />
Prozess-<br />
Automatisierung<br />
Prozessleittechnik<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 8
Leiten (DIN 19222V)<br />
Gesamtheit aller<br />
Maßnahmen, die einen im<br />
Sinne festgelegter Ziele<br />
erwünschten Ablauf eines<br />
Prozesses bewirken.<br />
Die Maßnahmen werden<br />
vorwiegend unter Mitwirkung<br />
des Menschen aufgr<strong>und</strong> <strong>der</strong><br />
aus dem Prozess o<strong>der</strong> auch<br />
aus <strong>der</strong> Umgebung<br />
erhaltenen Daten mit Hilfe<br />
<strong>der</strong> Leiteinrichtung getroffen<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 9
PLT im Wandel<br />
• Zielgröße: Hohe Wirtschaftlichkeit<br />
• Funktionsintegration<br />
• Hochverteilte vernetzte Systeme<br />
• Einzug von Bürosoftware in die BuB-Ebene<br />
• Multimodale Interaktion<br />
• Zielgröße: Hohe Zuverlässigkeit<br />
• Technische Zuverlässigkeit<br />
• Sicherheit<br />
• Anfor<strong>der</strong>ungsgerechtes, gewerkeübergreifendes Engineering (VT, PT, IT,<br />
PLT, MSR)<br />
• Anfor<strong>der</strong>ungsgerechte Bedienung (Warte <strong>und</strong> übergeordnete Leitebenen)<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 10
Prozessrechentechnik<br />
• Informationstechnischer „Kern“<br />
<strong>der</strong> Prozessleittechnik<br />
• Methoden <strong>und</strong> Verfahren zur<br />
Konzipierung <strong>und</strong><br />
Implementierung<br />
automatisierungstechnischer<br />
Funktionen auf<br />
verteilten digitalen Rechnern<br />
Mikrorechentechnik,<br />
Echtzeit-Systeme<br />
Signalübertragung<br />
Sensorik, Aktorik<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 11
Mensch-Maschine-Systemtechnik<br />
• Vielfältige Schnittstellen <strong>und</strong><br />
Interaktionen<br />
Organisation<br />
• Prozess<br />
• Engineering<br />
• Organisation<br />
• Operator<br />
• Systemprozess-leittechnik:<br />
Prozess,<br />
Anlagentechnik<br />
PRT<br />
Leitwarte<br />
• Systemgedanke<br />
• Gestaltungsziel Zuverlässiges<br />
Mensch-Maschine-Systeme<br />
Engineering<br />
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Interdisziplinäres Vorgehen <strong>der</strong> Mensch-<br />
Maschine-Systemtechnik<br />
• Ziel: interessante, motivierende <strong>und</strong> beanspruchungsgerechte<br />
Arbeitstätigkeit ermöglichen<br />
• <strong>Aufgaben</strong>analyse<br />
• Frühe Festlegung von Arbeitsabläufen<br />
• Parallel-iterative Abstimmung<br />
• Technische Funktionen<br />
• Personale <strong>Aufgaben</strong><br />
• Frühe Einbeziehung <strong>der</strong> K<strong>und</strong>en<br />
• Evaluation von Zwischenergebnissen<br />
• Prototyping, Usability Prüfung<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 13
Themengebiete Prozessleittechnik<br />
VR,AR<br />
CAE<br />
Informationssysteme<br />
Visualisierung Informationstechnik<br />
Web-Technologien<br />
Agenten Architekturen<br />
Echtzeit Engineering<br />
Psychologie<br />
Automatisierungssystem<br />
SPS<br />
Unterstützungssysteme<br />
Human Factors<br />
Sicherheit<br />
Messtechnik<br />
Regelungstechnik<br />
Elektronik<br />
Technischer<br />
Prozess<br />
Anlagenbau<br />
Fertigungstechnik<br />
Verfahrenstechnik<br />
Physik<br />
Chemie<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 14
<strong>Fakultät</strong> ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik<br />
Historische Entwicklung <strong>der</strong><br />
Prozessleittechnik
Historische Entwicklung<br />
• 1940: 1. Automatisierungsstufe<br />
• Mechanische, hydraulische <strong>und</strong> pneumatische Regler für einfache<br />
Regelungen, Ablesen <strong>der</strong> Messwerte in Messwarten<br />
• 1950: 2. Automatisierungsstufe<br />
• Elektrische <strong>und</strong> pneumatische Signalübertragung durch Messumformer <strong>und</strong><br />
Regler, Binäre Logik durch Relais-Steuerungen<br />
• 1960: 3. Automatisierungsstufe<br />
• Zentralisierung von Bedienung <strong>und</strong> Beobachtung in Messwarten, Online-<br />
Ankopplung von Rechnern zur Protokollierung <strong>und</strong> Optimierung<br />
• 1980: 4. Automatisierungsstufe<br />
• Prozessleitung mit hochverfügbaren bildschirmgestützten <strong>und</strong> digitalen<br />
Prozessleitsystemen<br />
• 2000: 5. Automatisierungsstufe<br />
• Hochverteilte vernetzte Systeme mit intelligenten Systemen, SPS-basierte<br />
PLS, Standardisierung von Netzen <strong>und</strong> Protokollen<br />
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Feldleitstände - um 1950<br />
(Diedrich o.J)<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 17
Zentrale Warte Mosaiktechnik<br />
(Diedrich o.J)<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 18
Prozessführung mit Bildschirmen<br />
(Diedrich o.J)<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 19
Verteilte Interaktion<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 20
<strong>Fakultät</strong> ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik<br />
Einführende Beispiele für<br />
typische PLT-Funktionen<br />
Regeln<br />
Überwachen <strong>und</strong> Sichern
DIN 19227<br />
Durchflußregelung<br />
FRCZ+A+<br />
4711<br />
• Durchfluß (F) wird registriert<br />
(R) <strong>und</strong> mittels Stellgerätes<br />
V-1 geregelt (C)<br />
• Bei Überschreitung eines<br />
Grenzwertes sind die Ventile<br />
V-1 <strong>und</strong> V2 zu schließen<br />
(Z+) <strong>und</strong> eine Meldung<br />
auszugeben (A+)<br />
V-2<br />
V-1<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 22
CSTR<br />
• Verriegelung Dosierung in einem kontinuierlich betriebenem<br />
Rührkessel-reaktor (CSTR - Continually Stirred Tank Reactor).<br />
• Beispiel:<br />
• Exotherme Reaktion zweier Stoffe A <strong>und</strong> B<br />
• A+B C + Energie<br />
• Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit Temperatur (Arrhenius-Gleichung)<br />
•<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 23
Rezept:<br />
A<br />
B<br />
FI<br />
FI<br />
H<br />
M<br />
•Schalte Rührer ein<br />
•Lege A vor<br />
•Dosiere B zu<br />
•Sobald T, dosiere A zu<br />
<strong>und</strong> ziehe Produkt ab<br />
LI<br />
Kalt<br />
Heiß<br />
TI<br />
TI<br />
A,B,C<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 24<br />
TI
A<br />
B<br />
FI<br />
FI<br />
H<br />
M<br />
LI<br />
TI<br />
TI<br />
Kalt<br />
Heiß<br />
A,B,C<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 25<br />
TI
Selbstbeschleunigende Reaktion<br />
A<br />
B<br />
FI<br />
FI<br />
H<br />
M<br />
LI<br />
TI<br />
TI<br />
Kalt<br />
Heiß<br />
A,B,C<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 26<br />
TI
Lösungsansätze<br />
• Verriegeln:<br />
• Ventil B kann nicht aufgemacht werden WENN <strong>der</strong> Rührer nicht an ist UND<br />
Flüssigkeit im Behälter ist<br />
• Automatisieren:<br />
• Sobald <strong>der</strong> Level eine bestimmte Grenze überschritten hat, wird <strong>der</strong> Rührer<br />
eingeschaltet<br />
• Das Ventil B schließt nach 4 Sek<strong>und</strong>en wenn <strong>der</strong> Rührer nicht angeschaltet<br />
ist.<br />
• Konkrete Ausprägung von Kontext (Stoffe, Prozesse, Philosophie)<br />
abhängig<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 27
<strong>Fakultät</strong> ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik<br />
<strong>Aufgaben</strong> <strong>der</strong><br />
Prozessleittechnik
<strong>Aufgaben</strong> <strong>der</strong> Prozessleittechnik<br />
Basisaufgaben Automation<br />
• Messen <strong>und</strong> Wandeln von<br />
Prozessgrößen<br />
• Steuern <strong>und</strong> Sichern durch<br />
Abarbeitung von Logikprogrammen<br />
• Regeln zur Stabilisierung von<br />
Prozessgrößen<br />
• Überwachen <strong>und</strong> Erkennen von<br />
(gefährlichen) Prozesszuständen<br />
• Anzeigen: Darstellen von Prozess<strong>und</strong><br />
Führungsgrößen<br />
• Bedienen: Führende Eingriffe<br />
durch Bedienpersonal<br />
Basisaufgaben Information<br />
• Archivieren: Bereitstellen von<br />
Information über lange Zeiträume<br />
• Konfigurieren: Automatisches<br />
Erkennen <strong>und</strong> Einbinden von<br />
Sensoren <strong>und</strong> Aktoren<br />
• Vermitteln: zwischen<br />
Unternehmensleitebene <strong>und</strong><br />
Produktion<br />
• Absichern: gegen unerlaubte<br />
aktive o<strong>der</strong> passive Zugriffe von<br />
innen o<strong>der</strong> außen<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 29
Literatur<br />
• DIN EN 61131 Speicherprogrammierbare Steuerungen, Programmiersprachen<br />
• DIN 19227 Graphische Symbole <strong>und</strong> Kennbuchstaben für die Prozessleittechnik<br />
• DIN 19222V <strong>Leittechnik</strong> – Begriffe<br />
• Favre-Bulle, B.: Automatisierung komplexer Industrieprozesse. Wien : Springer-Verlag, 2004<br />
• Früh, K.F., Maier, U. (Hrsg.): Handbuch <strong>der</strong> Prozessautomatisierung. München : Oldenbourg<br />
Industrieverlag, 2004<br />
• Felleisen, M.: Prozessleittechnik für die Verfahrensindustrie. Oldenbourg Industrie Verlag 2001.<br />
• Karnouskos, St., Colomboy, A.W., Jammesz, F., Delsing, J., and Bangemann, Th.: Towards an<br />
Architecture for Service-Oriented Process Monitoring and Control. In: Proceedings IECON 2010, S.<br />
1385–1391, 2010. doi:10.1109/IECON.2010.5675482<br />
• Kopec, H. and Maier, U.: Critical annotations on present distributed control systems. atp -<br />
Automatisierungstechnische Praxis, 47(3), 24–28, 2005.<br />
• Polke, M.: Prozessleittechnik. Oldenbourg Industrie Verlag, 1992<br />
• Urbas, L.: Process Control Systems Engineering. Oldenbourg Industrieverlag, 2012<br />
• VDI/VDE 3699 Prozessführung mit Bildschirmen<br />
Urbas (c) 2006-2013 PLT-1 Folie 30
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