PLT 1 Zusammenfassung - Zusammenfasssung Prozessleittechnik PDF

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Zusammenfasssung Prozessleittechnik...

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Prozessleittechnik 1 Zusammenfassung Inhaltsverzeichnis 1! AUFGABEN)UND)STRUKTUREN)DER)PROZESSLEITTECHNIK).........................................................)3! 1.1! AUFGABEN)................................................................................................................................)3! 1.1.1! EINORDNUNG!IN!DAS!THEMENGEBIET!.................................................................................................!3! 1.1.2! HISTORISCHE!ENTWICKLUNG!DER!PROZESSLEITTECHNIK!..........................................................................!4! 1.1.3! EINFÜHRENDE!BEISPIELE!FÜR!TYPISCHE!PLT-FUNKTIONEN!......................................................................!4! 1.1.4! AUFGABEN!DER!PROZESSLEITTECHNIK!.................................................................................................!4! 1.2! STRUKTUREN)UND)ARCHITEKTUREN)................................................................................................)4! 1.2.1! MODELLE!UND!STRUKTUREN!VON!PROZESSLEITSYSTEMEN!UND!WERKEN!..................................................!4! 1.2.2! PLS!VS.!SPS!...................................................................................................................................!7! 2! INSTRUMENTIERUNG)................................................................................................................)7! 2.1! ELEMENTE)DER)FELDEBENE)............................................................................................................)7! 2.2! ANFORDERUNGEN)UND)AUSWAHL)..................................................................................................)7! 2.3! GRUNDSTRUKTUR,)MESSGERÄTE)....................................................................................................)8! 3! KOMMUNIKATION)....................................................................................................................)8! 3.1! EINFÜHRUNG ).............................................................................................................................)8! 3.2! ANALOGE)SIGNALÜBERTRAGUNG)...................................................................................................)9! 3.3! DIGITALE)FELDBUSSE).................................................................................................................10 ) ! 3.3.1! GRUNDLAGEN!...............................................................................................................................!10! 4! IEC)61131)................................................................................................................................)13! 4.1! EINORDNUNG)-)HISTORISCHE)ENTWICKLUNG)DER)PROZESSSTEUERUNG)................................................)13! 4.2! SPEICHERPROGRAMMIERBARE)STEUERUNGEN)(SPS))........................................................................14 ) ! 4.3! IEC)61131)-)ARCHITEKTUR,)AUSFÜHRUNGSMODELL)UND)PROGRAMMIERUNG)......................................)15! 4.3.1! SOFTWAREMODELL!(BETRIEBSSYSTEM!DER!SPS)!.................................................................................!15! 4.3.2! PROZESSABBILD!.............................................................................................................................!16! 4.3.3! VARIABLENWERTE!UND!-TYPEN!........................................................................................................!16! 4.4! SPRACHEN)...............................................................................................................................)16! 4.5! FAZIT).....................................................................................................................................)18! 5! BASISAUTOMATISIERUNG)&)VERRIEGELUNG)...........................................................................)18! 5.1! DIN)EN)61512)........................................................................................................................)18! 5.1.1! BASISAUTOMATISIERUNG!(BASIC!CONTROL)!.......................................................................................18 ! ! 5.1.2! SICHERHEIT!..................................................................................................................................!18! 5.2! VERRIEGELUNG)........................................................................................................................)19! 5.3! SYSTEMENTWURF)FÜR)KOMPLEXE)BINÄRE)LOGIKEN)..........................................................................)19! 5.4! BERÜCKSICHTIGUNG)ZEITLICHER)EINFLÜSSE).....................................................................................)19! 6! EINZELSTEUERFUNKTIONEN)....................................................................................................)20!

6.1! FUNKTIONSBAUSTEINE)UND)MASSENENGINEERING)..........................................................................20 ) ! 6.1.1! MASSENENGINEERING!....................................................................................................................!20! 6.2! EINZELSTEUERFUNKTIONEN).........................................................................................................)21! 6.3! ANALOGWERTVERARBEITUNG)......................................................................................................)21! 6.4! REGLER)...................................................................................................................................)22! 7! ABLAUFSTEUERUNG)................................................................................................................)22! 7.1! SPRACHE)ZUR)ABLAUFSTEUERUNG)................................................................................................)22! 8! BATCH)CONTROL)(DISKONTINUIERLICHE)CHARGENPRODUKTION))...........................................)23! 8.1! EINFÜHRUNG )...........................................................................................................................)23! 8.2! CHARGENPROZESS)....................................................................................................................)24! 8.2.1! PROZESSMODELL!...........................................................................................................................!24! 8.2.2! PHYSIKALISCHES!MODELL!................................................................................................................!24! 8.2.3! STEUERUNGSARTEN!.......................................................................................................................!24! 8.3! REZEPTE).................................................................................................................................)25! 8.4! BETRIEBSARTEN)UND)-ZUSTÄNDE)NACH)IEC)61512-1).......................................................................)26! 9! MODULARISIERUNG)IN)DER)PROZESSINDUSTRIE).....................................................................)27! 9.1! MODULE).................................................................................................................................)27! 9.2! LEBENSZYKLUS).........................................................................................................................)27! 9.3! MODULE)TYPE)PACKAGE)(MTP))..................................................................................................)29! 10! MENSCH-PROZESS-KOMMUNIKATION)...................................................................................)30! 10.1! ZIELE)UND)AUFGABEN)DER)PROZESSFÜHRUNG)...............................................................................)30! 10.2! GRUNDLAGEN)DER)DARSTELLUNG)IN)DER)PROZESSLEITWARTE)..........................................................)31! 10.3! PROZESSFÜHRUNG)MITTELS)BILDSCHIRMEN)..................................................................................)32! 11! ALARM)ENGINEERING)............................................................................................................)33! 11.1! DAS)LEITSYSTEM)IM)UNTERNEHMEN)...........................................................................................)33! 11.1.1! DIENSTE!IN!DER!PROZESSLEITTECHNIK!.............................................................................................!34! 11.2! BETRACHTUNG)EXEMPLARISCHER)DIENSTE)....................................................................................)34! 11.2.1! MELDESYSTEME!..........................................................................................................................!34! 11.3! MELDE-)UND)DATENARCHIVE)....................................................................................................)35! 11.3.1! GRÜNDE!FÜR!ARCHIVIERUNG!.........................................................................................................!35! 11.3.2! ANFORDERUNGEN!UND!CHARAKTERISTIKA!.......................................................................................!36! 12! HIGH)PERFORMANCE)HMI).....................................................................................................)36! 12.1! MOTIVATION).........................................................................................................................)36! 12.1.1! FUNKTIONSPRINZIPIEN!GUTER!HMI!................................................................................................!36! 12.2! ECOLOGICAL)INTERACE)DESIGN)..................................................................................................)37! 12.2.1! ANALYSE-!UND!GESTALTUNGSMETHODIK!.........................................................................................!37! 12.2.2! DARSTELLUNG!DES!INFORMATIONSBEDARFS!.....................................................................................!38! 12.3! PRAXIS)IN)DER)PROZESSINDUSTRIE:)HIGH)PERFORMANCE)HMI).........................................................)40! 12.3.1! DARSTELLUNGSGRUNDLAGEN!........................................................................................................!40! 12.3.2! FESTGELEGTE!NAVIGATIONSHIERARCHIE!..........................................................................................!40! 12.3.3! BEWERTUNG!..............................................................................................................................!41!

1 Aufgaben und Strukturen der Prozessleittechnik 1.1 Aufgaben 1.1.1 Einordnung in das Themengebiet Prozessführung bezeichnet die Mittel und Methoden zur zielgerichteten Planung und Ausführung von Prozessführungsstrategien für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von technischen Prozessen. Prozessleittechnik beschreibt die Mittel und Verfahren, die dem Steuern, Regeln und Sichern prozesstechnischer Anlagen durch Leiteinrichtungen dienen.

Abbildung 1 - Einordnung Prozessführung / Prozessleittechnik

Prozessleittechnik ist die Zusammenführung von: • • •

Mess-, Steuer- und Regelungstechnik (Signalorientiert) Informations- und Kommunikationstechnik (Informationsorientiert) Mensch-Maschine-Systemtechnik (Prozessorientiert)

Ein Prozessleitsystem ist ein integriertes System zur technischen Realisierung der Aufgaben der Prozessleittechnik. Anforderungen an Prozessleitsysteme sind u. a. Folgende: •

• •

•

Echtzeitfähigkeit o PLT-1: Bei Einhaltung bestimmter Vorgaben und Regeln beim Engineering kann eine Garantie abgegeben werden, dass die Wirkketten des Systems vorgegebene Deadlines unabhängig von dem aktuellen Prozesszustand einhalten. Hohe Verfügbarkeit o Verhindern von Ausfällen, schnelle Fehlerbehebung à Inhalt PLT 2 Offenheit & Interoperabilität o Informationen sind firmenweit zugänglich und digitalisiert vorhanden o Anlagen unterschiedlicher Hersteller können ohne Zusatzaufwand miteinander betrieben werden Durchgängigkeit o Eine Prozessinformation, die irgendwo im System bekannt ist, muss ohne Zusatzaufwand jeder Komponente zugänglich sein à Gut strukturierte Datenpflege

Leiten nach DIN 19222V: Gesamtheit aller Maßnahme, die einen im Sinne festgelegter Ziele erwünschten Ablauf eines Prozesses erwirken. Die Maßnahmen werden vorwiegend unter Mitwirkung des Menschen aufgrund der aus dem Prozess oder auch aus der Umgebung erhaltenen Daten mit Hilfe der Leiteinrichtung getroffen. (Mensch steuert Prozess über Leiteinrichtung)

1.1.2 Historische Entwicklung der Prozessleittechnik 1. Automatisierungsstufe (1940): Einfache Regelung durch mechanische Regler, Ablesen von Messwerten in Messwarten 2. Automatisierungsstufe (1950): Binäre Logik, elektrische und pneumatische Signalübertragung 3. Automatisierungsstufe (1960): Zentralisierung von Bedienung und Beobachtung in Messwarten 4. Automatisierungsstufe (1980): Prozessleitung mit hochverfügbaren bildschirmgestützten und digitalen Prozessleitsystemen 5. Automatisierungsstufe (2000): Hochverteile vernetzte Systeme, SPS-basierte Steuerungen, Standardisierungen von Netzen und Protokollen

1.1.3 Einführende Beispiele für typische PLT-Funktionen • • •

Durchflussregelung: Ventile sperren unter bestimmten Bedingungen mit Ausgabe über Zustand CSTR - Continually Stirred Tank Reactor - Rührkessel-Reaktor mit automatisierter Dosierung und Prozesskontrolle Rezeptsteuerung

1.1.4 Aufgaben der Prozessleittechnik Basisaufgaben Automation: • • • • • •

Messen und Wandeln von Prozessgrößen Steuern und Sichern durch Abarbeitung von Logikprogrammen Regeln zur Stabilisierung von Prozessgrößen Überwachen und Erkennen von (gefährlichen) Prozesszuständen Anzeigen: Darstellen von Prozess- und Führungsgrößen Bedienen: Führende Eingriffe durch Bedienpersonal

Basisaufgaben Information: • • • •

Archivieren: Bereitstellen von Informationen über längere Zeiträume Konfigurieren: Automatisches Erkennen und Einbinden von Sensoren und Aktoren Vermitteln: Zwischen Unternehmensleitebene und Produktion Absichern: Gegen unerlaubte aktive oder passive Zugriffe von innen oder außen (Safety & Security)

1.2 Strukturen und Architekturen 1.2.1 Modelle und Strukturen von Prozessleitsystemen und Werken Das Ebenenmodell - Wechselbeziehungen: Betriebsleitebene (Wirtschaft & Politik) Produktionsleitebene (Logistik, Warenwirtschaft) Prozessleitebene (Führen von Anlagen und Verfahrensgruppen, Prozessüberwachung) Feldebene (Messwerteerfassung, -übertragung und Aktorik) technologischer Prozess

Funktionsmodell:

Abbildung 2 - Das Funktionsmodell

Automatisierungspyramide:

Abbildung 3 - Die Automatisierungspyramide

Wandel gerätetechnischer Grundstrukturen: Der Trend geht zu einer Dezentralisierung von Einzelreglern, welche über zentrale Bedieneinheiten gesteuert werden. Die Bedienung am Einzelgerät selbst fällt immer weiter in den Hintergrund in Prozessleitsystemen. Dennoch gibt es unterschiedliche Abgrenzungsformen und Verwaltungssysteme.

Abbildung 4 - Struktur eines dezentralen Prozessleitsystems

Struktur eines dezentralen PLS: • •

• •

•

•

Feldebene (Messgrößenerfassung und Aktorik) Prozessnahe Komponenten, PNK o Anschluss E/A Signale vom Feldbus, o SPS mit prozessnahen Funktionen à Regelung und Steuerung, Ausführen von Rezepten, Erkennen von Grenzwertverletzungen o Schnittstelle zum Systembus o Autonomer, sicherheitsgewährleistender Betrieb Systembus (Übertragung von Daten an Anzeige- und Bedienkomponenten, ABK) Werksbus o Meistens Ethernet (TCP/IP) o Leitet Informationen für Weiterverarbeitung und Speicherung weiter, um Rückschlüsse auf Produktion und Wirtschaftlichkeit der Anlagen zu ziehen Anzeige- und Bedienkomponente o Nahstelle zwischen PLS und Anlagenfahrer (HMI, Operator Station (OS)) o Funktionen: § Anzeige § Auswertung § Alarmhandling § Rezepterstellung, Verwaltung und Beobachtung Engineering Komponente: o Konfigurieren der Systemfunktionalität o Definition von PNK und ABK o Programmieren von CFCs und SFCs

Kommunikation: • • •

Übertragunsraten bis 100 Mbit/s Unterschiedliche Nachrichtenoverheads (je nach Protokoll) ISO OSI Schicht 1-2 meist standardisiert, Schicht 7 Herstellerspezifisch, nach Außen OPC, http

Abbildung 5 - Funktionsintegration

Durch steigende Monitoring und Prozessverbesserungsprozesse steigt eine Vernetzung von Funktionen innerhalb der Automatisierungspyramide. Die Grenzen werden dadurch intransparenter und fordern eine erhöhte Datenintegrität. Zusätzlich werden neue Bussysteme, wie Industrial Ethernet, gefragt und führen zu neuen Engineering Methoden mit Funktionsblöcken, festzulegenden APIs (SOA) und geteilten Datenbanken für unterschiedliche Nutzer.

1.2.2 PLS vs. SPS • • •

SPS - Steuerung niedriger Komplexität, überwiegend binäre Signale, sicherheitsgerichtete Logik, Systemhalt bei Rekonfiguration PLS - Regelung hoher Komplexität, enge Verknüpfung von Teilprozessen, analoge Signale, online-Konfiguration notwendig Die Konzepte bewegen sich aufeinander zu

2 Instrumentierung Einordnung in Automatisierungsmodell à Feldebene: Informationsgewinnung und -nutzung Instrumentierung: Alle Vorgängen in den Lebensphasen des Automatisierungssystems, die einen Umgang mit dem Feldgerät erfordern: • • • • •

Überführung funktionaler Anforderungen der Verfahrenstechnik in gerätetechnische Anforderungen (Anwendungsbezogen) bestellfertige Auswahl von Mess- und Stellgeräten (Kosten, Qualität, etc.) Bestellung, Fertigung, Auslieferung Inbetriebnahme und Konfiguration (Netzwerkkonfiguration, Kanalbelegung) Betrieb und Instandhaltung (Diagnose, Update, Optimierung, Asset Management)

2.1 Elemente der Feldebene Sensoren: Messen von Prozessgrößen Aktoren: Stellen von Energie- und Stoffströmen

2.2 Anforderungen und Auswahl • • • • • •

verteilen

Zuverlässigkeit (Ausfallsicherheit bei Betriebsbedingungen) Prozessbedingungen (Funktionsfähig unter Umweltbedingungen) Kundenanforderungen Integrierbarkeit (in bestehende Strukturen) Energieverbrauch Kostenbestimmung (Nicht nur Anschaffung, auch Wartung, Montage, etc ...)

à nach Auswahl erfolgt die Integration der Geräte in die Anlagenstruktur

2.3 Grundstruktur, Messgeräte

Abbildung 6 - Grundstruktur eines Messumformers

1. Messwertgeber wandelt Messgröße in elektrisches Signal 2. Sensor oder PLS vorverarbeitet das Signal (Filtern, Verstärken, Quantifizieren, ...) 3. Übertragen zur Leitebene

3 Kommunikation 3.1 Einführung Übertragung von Daten zwischen unterschiedlichsten Instanzen innerhalb eines Werks mit unterschiedlichen Protokollen (anwendungsfallbezogen).

Abbildung 7 - Kommunikation in der Prozessindustrie

Anforderungen: • • • •

Sicher und Verfügbar Unidirektionale Übertragung von Feldgeräten im Normalfall Bidirektionale Übertragung im Fehlerfall à Wird immer mehr zum Normalfall zur Optimierung von Feldgeräten Steigende Anforderungen in Zukunft (Verdrängung im Markt allerdings rel. langsam) o Interoperabilität o Echtzeitfähigkeit o Leistungsfähigkeit o Robustheit o Safety & Security

3.2 Analoge Signalübertragung Übertragung von Spannungsleveln (Binäres Spannungssignal 0 / 24 V) / Stromleveln (4...20 mA) zu einem Feldverteiler. Vorteile: • •

Einfache Planung, einfache Technik Hochparallel (jedes Signal über eine Leitung)

Nachteile: • • •

Störanfällig (EMV) Jedes Feldgerät braucht eigenen Parametrierungszugang à Sehr aufwendig, zu viele Bediengeräte Aufwendige Inbetriebsetzung (Kalibrierung Feldgerät zu PLS à Analogie Signal zu Messgröße einprogrammieren)

Erw eiterung 4 ... 20 mA Stromlevel mit HART-Protokoll: HART: Highway Adressable Remote Transducer • • • • • •

• •

Digitaler Datenaustausch zwischen Feldgerät und einem Master durch Überlagerung des analogen Stromsignals mit digitaler Kommunikation (Frequenzsignal). 2400 Hz = 0 1200 Hz = 1 Master-Slave Protokoll mit max. 2 Mastern 500-800 ms / Transaktion Universelle Kommandos o UID für Geräte (38 Bit) o Auslesen von max. 4 Messwerten inkl. phys. Einheit o Schreiben von Messstellenkennzeichen und G...