Vorlesung 2019 PLT PDF

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Vorlesung 2019 PLT...

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Automatisierungs- und Leittechnik PLT Prof. Dr.-Ing. Mark Hellmanns Wintersemester 2019/2020

© FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | FACHBEREICH ENERGIETECHNIK | PROF. HELLMANNS | WWW.FH-AACHEN.DE

Literaturempfehlung

SPS-Standard: IEC 1131 Neumann / Grötsch / Lubkoll / Simon Oldenbourg

Automatisierungstechnik 1 Grundlagen, analoge und digitale Prozessleittechnik G. Strohrmann Oldenbourg, 4. Auflage

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Automatisierungs- und Leittechnik – Leittechnik gemäß Definition

DIN 19222(zurückgezogen): „Leiten ist die Gesamtheit aller Maßnahmen, auch unter Mitwirkung des Menschen, um anhand der aus dem Prozess und der Umgebung erhaltenen Daten einen gewünschten Prozessablauf nach bestimmten, festgelegten Zielen zu bewirken.“ DIN IEC 60050-351 „Leiten bedeutet zweckmäßige Maßnahmen an oder in einem Prozess, um vorgegebene Ziele zu erreichen“

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Automatisierungs- und Leittechnik – Überblick

Prozessleittechnik (=Verfahrensleittechnik)  Begriff der Automatisierungstechnik  Mittel und Verfahren  Steuern, Regeln und Sichern verfahrenstechnischer Anlagen Zentrale Mittel der PLT  Speicherprogrammierbare Steuerungen  Prozessleitsysteme © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Automatisierungs- und Leittechnik – Verfahrenstechnische Prozesse

Verfahrenstechnische Prozesse  Verändern von Stoffen nach Art, Eigenschaft und Zusammensetzung Beispiele  Raffinerien  Zementwerke  Chemiefabriken

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 Papierfabriken  Zuckerindustrie

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Automatisierungs- und Leittechnik – Einordnung der Prozess- oder Verfahrensleittechnik

Gegenbeispiel: Diskrete Fertigung (Fertigungsleittechnik) oder Gebäudetechnik (Gebäudeleittechnik) gehören NICHT zur Prozessleittechnik

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Automatisierungs- und Leittechnik – Unternehmensprozesse

Operativer Geschäftsprozess [SHU99] © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Automatisierungs- und Leittechnik – Technischer Gestaltungs- und operativer Geschäftsprozess

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Automatisierungs- und Leittechnik – Technischer Gestaltungs- und operativer Geschäftsprozess

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Automatisierungs- und Leittechnik – Technischer Gestaltungs- und operativer Geschäftsprozess

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Automatisierungs- und Leittechnik – Ebenenmodelle der PLT: 5 Ebenen-Modell

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Automatisierungs- und Leittechnik – Ebenenmodelle der PLT: 3 Ebenen-Modell

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Automatisierungs- und Leittechnik – Einheitssignale in der Automation Stromsignale nach DIN IEC 60381-1  0 mA .. 20 mA  4 mA .. 20 mA (live zero, stromführender Nullpunkt) Spannungssignale nach DIN IEC 60381-2  0 V .. 10 V  2 V .. 10 V (live zero, spannungsführender Nullpunkt) Ratiometrische Spannungssignale  5 .. 95% (0,25 V .. 4,75 V bei Us=5 V)  10 .. 90% (0,5 V .. 4,5 V bei Us=5 V) Pneumatisches Drucksignal  0,2 bar .. 1,0 bar © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Automatisierungs- und Leittechnik – Bevorzugte Signale Stromsignale Unempfindlichkeit gegenüber  elektromagnetischen Störungen (z.B. Schaltvorgänge)  Leitungswiderständen und Leitungslängen Live-Zero  Drahtbruchüberwachung (0 V oder 0 mA oder 0 bar ist sicheres Zeichen für Störung)

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Automatisierungs- und Leittechnik – Bevorzugte Signale Pneumatik  Explosionsgefährdete Anlagen (eigensichere Messumformer und Messleitungen) Ratiometrische Spannungsausgänge  Bei schwankenden Versorgungsspannungen

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Automatisierungs- und Leittechnik – Feldgeräte



Sensoren



Aktoren



„Intelligente Feldgeräte“

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Automatisierungs- und Leittechnik – Anforderungen an Feldgeräte

Anforderungen an Feldgeräte  Hohe Verfügbarkeit (Qualität / Robustheit)  Temperaturbereiche -20°C – 85°C ist Standard  Ggf. Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen Ausfall verursacht Kosten besonders durch Fertigungsstillstand  hoher technischer Aufwand notwendig  Vermeidung von Fehlfunktionen  Ggf. Redundanz © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Automatisierungs- und Leittechnik – Phasenmodell: Informationsfluss im Sensorsystem

Beispiel: Temperaturmessung

Eigenschaft der Information

Verarbeitung / Umwandlung der Information

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Phasenmodell: Informationsfluss im Sensorsystem Beispiel „PH-Wert“ mit Kompensation

Eigenschaft der Information Verarbeitung / Umwandlung der Information

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Automatisierungs- und Leittechnik – Einfaches Sensorsystem

Sensorsystem

E: Eigenschaft des Messgutes M: Messsignal © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Quelle: M. Polke, Prozessleittechnik WS2019/2020| 20

Automatisierungs- und Leittechnik – Sensorsystem zur Analyse von Proben

Quelle: M. Polke, Prozessleittechnik

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Automatisierungs- und Leittechnik – Sensorsystem mit Probeentnahme und Entsorgung

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Automatisierungs- und Leittechnik – Sensorsystem mit Probeentnahme und Entsorgung

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Automatisierungs- und Leittechnik – Aktoren / Aktorsysteme

Definition der Prozessleittechnik Ein Gerät, dass die vom Prozessleitsystem kommende Information (ohne oder mit geringer Energie) in ein energiereiches Stellsignal umsetzt, mit dem ein Material- oder Energiefluss im Prozess geändert wird Unterscheidung  Binäre Wirkungsweise  Kontinuierliche Wirkungsweise mit meist eigenen Regelsystemen © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Automatisierungs- und Leittechnik – Aktoren

Aktoren setzen Signale in mechanische, chemische oder andere physikalische Größen um und Greifen in einen Prozess ein Beispielgrößen  Temperatur  Druck  Zusammensetzung (z.B. Anteile von Komponenten)  Position  Geschwindigkeit  Licht © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Automatisierungs- und Leittechnik – Aktoren

Beispiele  Magnetventil  Heizung  Motor / Pumpe  Drosselklappe  Beleuchtung (z.B. chemische Reaktion durch UV)

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Automatisierungs- und Leittechnik – Aufbau eines Aktorsystems

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Automatisierungs- und Leittechnik – Entwicklung der Feldgeräte

Konventionelle, analoge Technik  Verwendung von Einheitssignalen (herstellerunabhängig)  Fehlerkompensation durch geeignete Schaltungstechnik möglich  Beseitigung von Nichtlinearitäten sehr aufwändig

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Automatisierungs- und Leittechnik – Entwicklung der Feldgeräte

Digitale Feldgeräte mit analogen Anschlüssen  Verwendung von Einheitssignalen (herstellerunabhängig)  Verwendung von µC-Technik  Einfache Linearisierung möglich  Erkennung von Fehlersituationen z.B. Drahtbruch am Sensorelement  Kein Zugriff auf µC von Außen

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Automatisierungs- und Leittechnik – Entwicklung der Feldgeräte

Digitale Feldgeräte in Smart-Technik  Verwendung von Einheitssignalen (herstellerunabhängig)  Überlagerung mit des Analogsignals mit digitalem Wechselspannungssignal (HART-Protocol)  Kompatibel zu rein analogen Steuerungen  Digitale Parametrierung möglich  Digitale Übertragung der Messwerte

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Automatisierungs- und Leittechnik – Entwicklung der Feldgeräte

Digitale Feldgeräte mit Feldbus-Technik  Rein digitale Technik, keine analoge Ausgabe  Kommunikation in beide Richtungen  Sehr weitreichende Möglichkeiten für die Automatisierungstechnik  Unterschiedliche Feldbussysteme meist durch Buskoppler kombinierbar

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Automatisierungs- und Leittechnik – Vorteile / Nachteile analoger Feldgeräte

Vorteile  Schnelle direkte Signalübertragung (schneller als digitale Feldgeräte)  Hilfsenergie über Signalleitung möglich  Herstellerunabhängig Nachteile  Hohe Verdrahtungskosten  Informationsübertragung nur in eine Richtung  Begrenzte Genauigkeit  Keine Zusatzfunktionen in Feldgerät möglich  Empfindlich gegenüber Störungen © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Automatisierungs- und Leittechnik – Vorteile digitaler Feldtechniken

 Geringerer Aufwand für  Verdrahtung  Inbetriebnahme  Wartung  Dokumentation  Überwindung großer Distanzen  Einsparung von Installationsraum  Leichte Einbindung von Rechnern

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Automatisierungs- und Leittechnik – Vorteile digitaler Feldtechniken

 Selbstdiagnosefähigkeit  Geringere Störanfälligkeit  Höhere Verfügbarkeit  Geringere Messabweichung/Höhere Langzeitstabilität  Dadurch größere Messbereichsspreizungen möglich  Möglichkeit von Multisensorsystemen  Weitere Integration von Funktionen in Feldgerät

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Automatisierungs- und Leittechnik – Explosionsschutz

Beschäftigt sich mit dem Schutz vor der Entstehung von Explosionen und deren Auswirkungen  Verhütung von Schäden durc technische Produkte  Zündschutzarten  Zoneneinteilung Warnung vor einem Bereich, in dem explosionsfähige Atmosphären auftreten können © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Automatisierungs- und Leittechnik – Explosionsgefahren

Stoffe die mit Sauerstoff reagieren  Gase  Stäube Voraussetzung für Explosionsgefahr  Anteil des brennbares Gases liegt zwischen einer oberen und unteren Grenze  Ausreichend geringe Größe der Staubkörner (in der Regel Haftung bei Schäden durch Ausfall Straf- und zivilrechtlich ! © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Funktionale Sicherheit - Motivation

§4 ProdHaftG (Produkthaftungsgesetz) Der Hersteller eines Endproduktes haftet auch wenn der Verursacher ein Unterlieferant war Notwendigkeit der Darlegung einer anerkannten Methode zur Risikobewertung und sicheren Produktentwicklung und -herstellung Beurteilung von Gefahr und Risiko notwendig

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Funktionale Sicherheit

DIN EN 61508 (Teil 1 bis 7) – IEC 61508 Behandlung von Aspekten, wenn   

Elektrische Elektronische programmierbare elektronische Systeme

verwendet werden, um Sicherheitsfunktionen auszuführen Die DIN EN 61508 ist als Sicherheitsgrundnorm ausgewiesen => weitere Normen © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Sicherheitsanforderungsstufe

„Safety Integrity Level“  SIL „Sicherheits-Integritätslevel“ SIL 1: niedrigste Stufe SIL 4: höchste Stufe

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Sicherheitsanforderungsstufe

Bewertung des SIL: z.B. quantitative Methode Risiko eines Prozesses hängt ab von der Wahrscheinlichkeit eines gefährliches Vorfalls und dessen Auswirkung  Bekannte Daten aus vergleichbaren Situationen  Berechnung aus Modellen (siehe auch IEC 611508-5) © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Sicherheitsanforderungsstufe

PFD: Probability of Failure on Demand Maximale Anforderungsrate an das Sicherheitssystem: max. 1x pro Jahr Meist: Prozessindustrie, z.B. Drücken des Not-Aus Das Sicherheitssystem wird mehr als 1x pro Jahr oder kontinuierlich angefordert Meist: Fertigungstechnik

Quelle: Siemens © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Implementierung der IEC 61508 durch weitere Normen IEC 61511: Funktionale Sicherheit — Sicherheitstechnische Systeme für die Prozessindustrie IEC 62061: Sicherheit von Maschinen — Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme IEC 61513: Kernkraftwerke – Leittechnik für Systeme mit sicherheitstechnischer Bedeutung – Allgemeine Systemanforderungen

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Implementierung der IEC 61508 durch weitere Normen

EN 50128: Bahnanwendungen – Telekommunikationstechnik, Signaltechnik und Datenverarbeitungssysteme – Sicherheitsrelevante elektronische Systeme für Signaltechnik ISO 26262: Road vehicles – Functional safety ISO 25119: Tractors and machinery for agriculture and forestry — Safety-related parts of control systems Functional Safety

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Beispiele sicherheitsgerichtete Komponenten

           

Positionsschalter Not-Aus-Taster Schutztüren Zweihandschaltung Zustimmschalter Starter Stillstandsüberwachung Höchstdrehzahlüberwachung Höchsttemperaturüberwachung Höchstdrucküberwachung Füllstandsüberwachung …

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Funktionale Sicherheit durch Redundanz

Quelle: Siemens © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Aufbau einer sicheren Steuerung

   

Mehrkanaliger Aufbau (z.B. 2 getrennte Kanäle) Diversitärer Aufbau mit unterschiedlicher Hardware Ständiger Test der Ein- und Ausgänge Ständiger Vergleich der Anwenderdaten Spannungs-, Strom- und Zeitüberwachung Sichere Abschaltung im Fehlerfall



„sichere Software“

 

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Schutztür

Quelle: computer-automation.de / Pilz © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Beispiele Steuerungen

Quellen: EATON, © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Sichere Bussysteme

Quelle: www.feldbusse.de © FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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Prozessleitsysteme

Prozessleitsysteme…  dienen zum Führen einer verfahrenstechnischen Anlage (Raffinerie, Kraftwerk,…)  bestehen aus prozessnahen Komponenten und Bedien- und Beobachtungsstationen beinhalten folgende Mechanismen 

Steuerung von Aktoren, Aufnahme von Messwerten

    

Alarmsystem Anlagenvisualisierung Benutzerverwaltung Möglichkeit des Engineering …

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