CAE in der Prozessautomatisierung - TU · PDF fileISA 5.1 •Amerikanischer Standard...

Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

CAE in der Prozessautomatisierung

Detail Engineering in der Prozesstechnik

Dipl.-Ing. Markus Graube

SS 2014, 22.04.2014

Professur für Prozessleittechnik

Übersicht

•R&I-Fließbild (kurze Wiederholung)

•EMSR-Anforderungen

Grafische Symbole und

Kennbuchstaben nach DIN 19227-1

Erweiterung durch IEC 62424

•PLT Funktionen

•Stellenfunktionspläne

•Software Konfiguration

Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 2

Information im R&I-Schema

Grundinformation

• Funktion, Art und ID (z.B. Referenzkennzeichen) der Apparate und Maschinen

• kennzeichnende Größen von Apparaten und Maschinen

• Nennweiten, Druckstufen, Rohrklassen und Ausführungen von Rohrleitungen

• Meß-, Regel- und Steuerfunktionen und deren Kennzeichnung

Zusatzinformation

• Gerätearten wichtiger Meß-, Regel-und Steuerfunktionen

• wesentliche Werkstoffe von Apparate und Maschinen

• Referenzkennzeichnung von Armaturen

• Namen von Anlagenteilen

• Höhenlage von Apparaten u. Maschinen


Aufgabe des R&I-Schema

• detaillierte Darstellung der konkreten technischen Realisierung eines Verfahrens bzw. einer verfahrenstechnischen Anlage mit Hilfe von graphischen Symbolen und Linien

technischer Prozess technisches System

(Verfahren, Funktion) (Geräte, Instrumentierung)

• Verdeutlichung aller geräte- und informationstechnischen Zusammenhänge, die für eine praktische Abwicklung notwendig sind


Übersicht

• R&I-Fließbild (kurze Wiederholung)

• EMSR-Anforderungen

Grafische Symbole



• PLT Funktionen

• Stellenfunktionspläne

• Software Konfiguration


Überblick Graphische Symbole

• Aktuell (seit 01/2010):

IEC DIN EN 62424 Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik - Fließbilder und Datenaustausch zwischen EDV-Werkzeugen zur Fließbilderstellung und CAE-Systemen

• Bisher:

DIN 19227-1 Grafische Symbole und Kennbuchstabenfür die Prozessleittechnik – Darstellung und Aufgaben

Gültigkeit 1993 – 2010 (Übergangsfrist bis 7/2012)

DIN V 44366 Festlegung für die Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik in Fließbildern und für den Datenaustausch zwischen EDVWerkzeugen zur FließbildErstellung und CAESystem

2004 – 2010 (Übergangsfrist bis 7/2012)

• während Übergangsfrist waren alle drei gültig und sind immer noch weit verbreitet



DIN 19227 - Grafische Symbole und Kennbuchstaben für die Prozessleittechnik

•Zweck:

Aufgabenbezogen Darstellung der PLT auf verfahrenstechnischen Fließbildern

Beschränkung auf prozessbezogene EMSR-Technik

keine Detaildarstellung der EMSR-Funktionen intern und untereinander

Keine Darstellung von Verdrahtungsdetails

•Anwendungsbereich

Verfahrenstechnische Anlagen (Chemie, Kraftwerk, Nahrungsmittel, Wasser, …)


Grafische Symbole

• Darstellung der EMSR-Aufgabe durch EMSR-Stellen-Symbol (EMSR-SS) durch Rund bzw. Lang-Rund („PLT-Ei“)

Allgemein

Prozessleitsystem

Prozessrechner

• Kennzeichnung des Ausgabe- und Bedienortes

Vor Ort - kein Querstrich

Leitwarte - ein Querstrich

Örtlicher Leitstand - Doppelquerstrich

(19227-1)

Textfelder am EMSR-SS

• 1 EMSR-Stellen-Funktion

Kennbuchstaben

• 2.1 und 2.2 EMSR-Stellen-Kennzeichnung

Identifikation

• 3.1 und 3.2 weitere Kennzeichnungen

Z.B. Ort, Stelle, etc.


(19227-1)

Darstellung von Messort und Stellgerätefunktion

• Messort wird durch Bezugslinie mit EMSR-SS verbunden (0.25 mm, durchgezogen)

• Messort kann durch Kreis (d=2mm) hervorgehoben werden

• Stellgerätefunktion kann durch zusätzlichen Kreis dargestellt werden


(19227-1)

Weitere Regeln für die Darstellung

• Erfüllung einer Funktion durch Mehrfacherfassung

mehrere EMSR-SS

• Mehrere Ausgabe- und Bedienorte

mehrere EMSR-SS


(19227-1)


Kennbuchstaben

• Buchstabensequenz, eingeteilt in zwei Gruppen

Gruppe 1: Erstbuchstabe und ggf. Ergänzungsbuchstabe

Messgröße - Physikalische Größe

Gruppe 2: Folgebuchstaben

Verarbeitung

• Achtung: Kein Trennzeichen zwischen den Gruppen

Gruppenzugehörigkeit muss aus Kontext erschlossen werden

Geht nur mit „Geheim“-Wissen über Konstruktion, Beispiel Telefonnummern: 004935146339614, 03031472007,…

Gruppe 1 – Messgröße - Physikalische Größe

Erstbuchstabe• D – Dichte• E – Elektrische Größe• F – Durchfluss, Durchsatz• G – Amplitude, Stellung, Länge, Dehnung,

Abstand• H – Handeingabe, Handeingriff• K – Zeit• L – Stand• M – Feuchte• P – Druck• Q – Qualität, Stoffeigenschaft, Analyse• R – Strahlungsgröße• S – Geschwindigkeit, Drehzahl, Frequenz• T – Temperatur• U – Zusammengesetzt• V – Viskosität• W – Gewichtskraft, Masse• N,X,Y – sonstige, frei Verfügbar

Ergänzungsbuchstabe

• D – Differenz

• F – Verhältnis

• J – Messstellenabfrage

• Q – Integral, Summe

• Buchstaben, die der Kategorie Ergänzungsbuchstabe zugeordnet sind, dürfen nicht in Gruppe 2 – Folgebuchstaben verwendet werden


Gruppe 2 – Folgebuchstaben - Verarbeitung

• A Alarm

• C Selbsttätige Regelung

• E Aufnehmerfunktion

• H,+ Oberer Grenzwert

• I Anzeige

• L,- Unterer Grenzwert

• O Sichtzeichen, Ja/Nein-Anzeige (ohne Störung)

• R Registrierung

• S Schaltung, Ablaufsteuerung, Verknüpfungssteuerung

• T Messumformer-Funktion

• U zusammengefasste Antriebsfunktionen

• V Stellgeräte-Funktion

• Y Rechenfunktion

• Z Noteingriff, Schutz durch Auslösung, Schutzeinrichtung, sicherheitsrelevante Messung

• K,M frei verfügbar



Grenzwerte und Schutzeinrichtungen

• Oberer (H,+) und unterer Grenzwert (L,-) werden den Folgebuchstaben A,O,S,Z einzeln oder gemeinsam nachgestellt

• H,+,L,- dürfen auch zur Kennzeichnung der Endstellungen offen/geschlossen bzw. Schaltzustände Ein/Aus verwendet werden

• Sensoren und Aktoren in Schutzeinrichtungen ohne Schaltfunktion sind durch Z in Klammern zu kennzeichnen

Stellgeräte


• Einwirkung auf Strecke

(19227)

Beispiele


LIAL

PI

305

306

PDI707

Behälter

Druckmessung mit Anzeige in Prozeßleitwarte

EMSR-Stelle 2

Füllstandsmessung mit Anzeige und

Alarmierung in der Prozeßleitwarte

Rohrleitungssystem

Differenzdruck-

messung mit

Anzeige vor Ort

Legende: P - Druck (Erstbuchstabe)

L - Füllstand (Erstbuchst.)

D - Differenz (Ergänzungsbuchst.)

I - Anzeige (1. Folgebuchst.)

A - Alarmierung / Störungsmeldung (2. Folgebuchst.)

L - unt. Grenzwert (3. Folgebuchst.)

EMSR-Stelle 1

EMSR-Stelle 3

Beispiele


Legende: F - Durchfluß (Erstbuchst.)


C - Regelung (2. Folgebuchst.)

Behälter

Stellsignal y

Pumpe

EMSR-Stelle

Meßsignal (Regelgröße x)

FIC

315

Durchflußregelung in der Prozeßleitwarte

(zum Verbraucher)

Beispiele


Legende b): L - Füllstand (Erstbuchst.)


C - Regelung (2. Folgebuchst.)

LIC320

Zufluß

Abfluß

(zum Verbraucher)

EMSR - Stelle Füllstandsregelung in der Prozeßleitwarte

Stellsignal y

Behälter

Meßsignal (Regelgröße x)

Pumpe

Beispiele


Legende: L - Füllstand (Erstbuchst.)

I - Anzeige (1. Folgebuchstabe)

S - binäre Steuerung / Überwachung

O - Anzeige für oberen (+) / unteren (-) Grenzwert

LIC

320

LSO ±

322

Zufluß

Abfluß

(zum Verbraucher)

EMSR - Stelle 2 binäre Steuerung mit oberer / unterer Grenzwert-

EMSR - Stelle 1 Füllstandsregelung in der Prozeßleitwarte

überwachung in der Prozeßleitwarte)

Regel-ventil

Auf-/Zu-ventil

Übung

Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 22(19227)

Übung

Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 23(19227)

ISA 5.1

• Amerikanischer Standard für Instrumentensymbolik und –Kennzeichnung

• gleicher Zweck wie DIN 19227-1, aber:

leicht abweichende Symboldarstellung und detailliertere Liste der Kennbuchstaben (inkl. typische Kombinationen)

Trennung Geräte/Funktion konsequent

Erweiterung durch Darstellung der internen Funktion von EMSR-Funktionen

detaillierte Definition der möglichen Linienarten

Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 24(ISA 5.1)

ISA 5.1


ISA 5.1 - Beispiele


ISA 5.1 DIN 19227-1

(ISA 5.1)

ISA 5.1 - Beispiele


IEC DIN EN 62424


(EN 62424)

Übersicht






• PLT Funktionen




Einführung PLT-Funktionen


• NA35 - Abwicklung von PLT-Projekten

Einführung PLT-Funktionen


• Diese Vorlesung

• Nächste Vorlesung

PLT Funktionen

• Input: Anlagenkonzept

z.B. Batchanlage der Professur

• Beschreibung der benötigten Wege, Aktoren und Sensoren vorhanden als R&I-Fließbild

• PLT-Funktionen festlegen

Erarbeiten aller PLT-relevanter Angaben in den R&I-Fließbildern

z.B. Auf/Zu-Ventil Abfluss Edukttank B001

Hinzufügen von Messfunktion/Stellfunktion/Alarm

z.B. Stellfunktion (öffnen) und Messfunktion (offen/geschlossen)


PLT Funktionen


Sicherheitsgespräch (Stufe 2) führen

Z.B. Verriegelung des Auf/Zu-Ventils am Abfluss bei zu niedrigem Füllstand im Edukttank B001

Z.B. Verriegelung des Auf/Zu-Ventils am Zufluss bei zu hohem Füllstand im Edukttank B001

Festlegen und Klassifizieren sicherheitsrelevanter PLT-Stellen

Verriegelung Abfluss -> Sicherheitsrelevanz niedrig

Verriegelung Zufluss -> Sicherheitsrelevanz hoch


PLT Funktionen


Funktionspläne erstellen

Z.B. Temperaturregelung

Erarbeiten der Aufgaben des PLS

Z.B. Alarmierung bei zu hoher Temperatur

Projektspezifische Standards (Typicals) erarbeiten

Z.B. Pumpen und Rührer als MOTOR

CAE-Werkzeuge zur Unterstützung der Planung und Dokumentation

„Kaum“ Papiervorlagen sondern z.B. COMOS


PLT Funktionen

• Output:

RI-Fließbilder mit PLT-relevanter Vollständigkeit

Endgültiges Lastenheft/Pflichtenheft für

Regelung & Steuerung

Verriegelungen

Bedienung

Leittechnik

Funktionspläne

Typicals


PLT Funktionen

• Regelung und Steuerung

• Meist SISO@VT, d. h. Sensor – PLT-Funktion – Aktor

• Wird von CAE-Werkzeugen unterstützt

• Verriegelungen

• Meist ein Netzwerk von Bedingungen

• Bei geschickter Modularisierung bzw. hierarchischem Aufbau Beschränkung auf eine Teilanlage

• Planungsinstrument: Verriegelungsmatrix

Wird in CAE-Werkzeugen noch nicht ausreichend unterstützt warum?-semiformale-Modelle


PLT Funktionen

Verrieglungsmatrix


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en

Au

f/Zu

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Füllstand Edukttank B001 niedrig A x x

Füllstand Reaktor R001 hoch B x x

Füllstand Reaktor R002 hoch C x x

A || B || C D x

PLT Funktionen

Funktionspläne

Der Funktionsplan ist eine PLT-stellenübergreifende Beschreibung einer Steuerungsaufgabe mit grafischen Symbolen unabhängig von der Realisierung nach DIN 40719 Teil 6

-> seit 2002 ersetzt durch DIN EN 60848.

CAE-Werkzeuge

SFCedit, FluidSIM, WinErs, OFT2, LogiDoc


PLT Funktionen

Bedienung

Prozessbedienbilder als wichtige Schnittstelle zwischen Mensch (Bediener/Operator) und verfahrenstechnischem Prozess

Hohe Qualitätsanforderungen

Visualisierung ähnlich dem R&I-Fließbild

Leittechnik

Alarme

Warnung vor kritischen Zuständen


Übersicht






• PLT Funktionen




Stellenfunktionspläne


(NA35)


• Ziele beim Einsatz von Typicals

Wiederverwendung

Zeitreduktion

Qualitätsverbesserung

Reduzierung der Variantenvielfalt

Beschleunigte Genehmigung der Planungsvorgänge und –dokumente durch Kunden

schnellerer Test und Simulation der Planungsergebnisse

„Automatisierung der Automatisierung“




(ISA95)


• Einzelsteuerfunktion (ESF)

Werkzeug: PCS 7,Comos Automation Interface


Übersicht






• PLT Funktionen






• Funktionbausteinsprache (FBS)

(Siemens)



• Continious Function Chart (CFC)


• CFC - Continous Function Chart

Grafischer Editor

Bausteine platzieren, parametrieren und verschalten

Nach technologischen Aspekten strukturierte Pläne

Plan in Plan (hierarchische Pläne)

Standardisierbar und wiederverwendbar



• SFC

Sequential Function Chart (SFC)

Siemens spezifisch

IEC 61131 -> AS



• SFC

Graphische Projektierung und Inbetriebnahme von Ablaufsteuerungen

Zustands- und ereignisgesteuerte Prozessführung (Rezepte)

Steuert mit CFC erstellte Funktionen selektiv


(Siemens)


• HMI

Alarmfunktionen werden automatisch erzeugt



• HMI

Bedienbilder für Einzelsteuerfunktionen ebenfalls


Software Konfiguration• HMI

In Entwicklung ist die automatische Generierung einer Visualisierung aus bereits vorhandenen CAE-Daten z. B. R&I-Fließbild -> Vorlesung


?

Literatur

• Namur NA35: Abwicklung von PLT-Projekten (2003).

• Strohrmann, G.: Anlagensicherung mit Mitteln der MSR-Technik (1983).

• DIN EN 60848: GRAFCET, Spezifikationssprache für Funktionspläne der Ablaufsteuerung (2002).

• DIN EN 61512-1 - Chargenorientierte Fahrweise Teil 1: Modelle und Terminologie (2000).

• ISA 95.00.03 - Enterprise - Control System Integration Part 3: Activity Models of Manufacturing Operations Management (2005).

• Siemens: Prozessleitsystem PCS 7 – CFC für SIMATIC S7 (2009).

• Siemens: Prozessleitsystem PCS 7 – SFC für SIMATIC S7 (2009).

• DIN 19227-1 Grafische Symbole und Kennbuchstabenfür die Prozessleittechnik – Darstellung und Aufgaben

• DIN V 44366 Festlegung für die Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik in Fließbildern und für den Datenaustausch zwischen EDVWerkzeugen zur FließbildErstellung und CAESystem (Vorlesung 10 - CAEX)

• EN 62424 Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik - Fließbilder und Datenaustausch zwischen EDV-Werkzeugen zur Fließbilderstellung und CAE-Systemen

• ISA-5.1-1984 (R1992) Instrumentation Symbols and Identification


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