Teil 2

• Mittel und Verfahren, die dem Steuern, Regeln und sichern verfahrenstechnischer Anlagen dienen -> Automatisierung verfahrenstechnischer Anlagen/ Prozesse

• Aufgaben der Prozessleittechnik:

  • Prozessstabilisierung im Arbeitspunkt (der Regelungs- und Steuerungssysteme)

  • Prozessführung -> Gestaltung und Beherschung des Prozesses

  • Prozessüberwachung -> Kontrolle Prozessverlauf, Eingriff Bediener, Alarmierung Grenzwertüberschreitung

• Bildet Mensch-Maschine Schnittstelle

  • direktes Einsehen Druckanzeiger, Filter, usw.

  • direkter Eingriff durch Stellventile, Not-Aus-Schalter, etc.

  • indirektes Beobachten durch Anzeigen, Monitore, etc.

  • bei hohem Automatisierungsgrad hat der Mensch vorzugsweise überwachende Aufgaben, er greift nur bei Zwischenfällen ein

-> Zentrales Mittel ist das Prozessleitsystem (PLS)

Automatisierte Produkte: (große Stückzahlen)

• kleine Anzahl an Aktoren und Sensoren

• Entwurf über Prototypen, deren Aufbau und Parametrisierung iterativ optimiert wird

  • mehr Fehlerspielraum, Prototyp muss nicht sofort perfekt sein

Automatisierte (Produktions-)Anlage: (kleine Stückzahlen/ große Anlage)

• große Anzahl von Aktoren und Sensoren

• Entwürfe über konzeptionelle Zerlegung in viele kleine, parallele und unabhängige Teilaufgaben, für die Standartlösungen ausgewertet, ausgewählt und kombiniert werden

  • Prozessleittechnik -> kein Spielraum für Fehler, jede Anlage ist einzigartig, Änderungen im nachhinein teuer und aufwändig,

Methode aus Vorlesung:

• Konzeptionelle Zerlegung der Automatisierungsaufgabe in viele kleine, parallele und unabhängige Teilaufgaben -> Gewerksübergreifende Planung (z.B.: Planung Brauerreitor)

• Sensoren -> Automatisierungsfunktion -> Aktoren

• Vollständige Entkopplung wäre ideal:

  • Einzelaufgabe unabhängig von einander lösbar

• Real:

  • Vielfältige Verknüpfung zwischen Sensoren und Aktoren

  • Fließender Übergang zwischen Teilaufgaben im Engineering

Weitere Methoden:

• Einsatz von Standarts und Normen (NA35, VDI2221)

• Digitaler Zwilling -> Simulation des Prozesses ermöglicht identifikation von Fehlern und Optimierung des Prozesses VOR der inbetriebnahme

Automatisierungsgrad (nominell):

-> Kontinuierliche Anlage läuft einfach so durch, bei Batch immer häufiger manuelle Eingriffe in Prozess (Zugabe Stoffmenge oder Produkt/ Wechsel von Spulen/ Anfahren, Abschalten)

Automatisierungsgrad (real):

• Zeitanteil, in dem eine Stellgröße im Automatik-Betrieb läuft

• Dieser ist <100%, weil Anlagenfahrer bei Problemen mit der Automatisierung auf Handbetrieb umschalten

• kleiner Automatisierungsgrad einer Stellgröße spricht für Fehler im Engineering

  
  

Dienen zum Führen (Leiten) einer Produktionsanlage (Informieren Betriebsmannschaft)

• Informieren über Messwerte, Trends, Betriebszustände

• bereitstellen von Alarmen

• Prozessablauf im bestimmungsgemäßen Zustand ermöglichen (Prozessführung)

• Einwirken auf die Stellgeräte (Prozesssteuerung)

• Produktherstellung unter den vorgegebenen Randbedingungen, in erforderlicher Menge und Qualität, mit möglichst geringen Kosten (Energie, Rohstoffe, Personal und Reparatur)

  
  

• Prozessüberwachungsdaten

• Alarm- und Ereignismeldungen

• Steuerungsdaten

• Diagnosedaten

• historische Daten

• Prozessmodelle

• Sicherheitsinformation

-> Alles wird über Prozessleitsysteme visualisiert

Automatisierungspyramide

• Unternehmensleitebene:

  • IT-Kommunikation -> Managment und Visualisierungssystem

• Betriebsleitebene: -> Zeitplanungs- und Auswertungssysteme

• Steuerungsebene:

  • Feldkommunikation -> SPS, Aktoren, Sensoren

• Ebenen unterscheiden sich in dem was sie machen und wofür sie da sind

  • nach unten mehr Daten erfassen, nach oben mehr Planen (vertikale Kommunikation)

Systemstrukturen

• Feldbus = Feld ebene + Binary Unit System

• Ein Bus ist ein System zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern über einen gemeinsamen Übertragungsweg

• horizontale Kommunikation mit Feldbus

• alle Slaves einer Anlage sind über Bussystem mit dem Master verbunden

• Informationen über andere Slaves werden von Master erhalten

  • Slaves können untereinander nicht kommunizieren, nur über den Master

• konventionelles Ethernet ist nicht echtzeitfähig aufgrund von nicht-deterministischen Medienzugriffsverfahren, fehlender Priorisierung und Synchronisation (durch Netzwerküberlastung können Pakete beliebig verzögert werden)

Anforderungen an echtzeitfähiges industrielles Ethernet:

1. Determinismus (Übertragung von Daten in einem bekannten, garantierten Zeitrahmen)

2. geringe Latenz (ist die Verzögerung zwischen der Anfrage und der Antwort im Netzwerk)

3. Jitter Minimierung (bezeichnet Schwankungen in der Latenz)

4. Synchronisation

5. hohe verfügbarkeit

Erfüllt durch:

• Priorisierung von Datenverkehr -> priorisierung Zeitkritischer Daten (Alarm etc.)

• Zeitsynchronisation von Netzwerkgeräten

• seperate Kommunikationskanläe

  • dedizierte Kanäle für Echtzeitdaten und nicht kritischen Daten

-> Bus-Protokolle wie Modbus/IDA, Ethernet/IP, Profinet RT, Profinet IRT, Powerlink, EtherCAT erfüllen diese Bedingungen

OPC UA (Open Platform Communications –Unified Architecture):

• ist eine Sammlung von Spezifikationen und Technologie, mit der Komponente eines industriellen AT-Systems miteinander, auf sichere und zuverlässige Weise, semantisch modellierte Informationenaustauschen können

Dazu:

• definiert OPC UA ein gemeinsames (abstraktes) Kommunikationsprotokoll mit verschiedenen konkreten Protokoll-Implementierungen

  • mit Hilfe OPC UA-Informationsmodellen lassen sich einheitliche Modelle von Maschinen erstellen -> sowohl horizontale kommunikation als auch vertikal

Adressraummodell (siehe Bild) ist Meta-Modell, auf dem OPC UA Modelle basieren

• Objekt-Nodes werden verwendet, um Systeme, Komponenten, Gegenstände zu beschreiben

• Jede Nodge oder dt. Knoten kann Referenzen zu anderen Nodges aufweisen, es existieren Subklassen für spezielle Referenzen

  • Referenzen verbinden Objekte

• Die Klasse ObjectType wird für Typ-Definitionen von Objekten genutzt. Ein ObjectType entspricht somit einer Klasse in der Objektorientierten Programmierung

• Die Klasse ReferenceType erlaubt es, Referenzen zu definieren

• Variablen enthalten Daten von Objekten, dabei wird die Klasse VariableType zur Typ-Definition von Variablen genutzt.

• Methoden definieren Funktionen, die (mit Parametern) aufgerufen werden können und nach ihrer Ausführung eine Antwort zurückgeben

OPC UA Modell für:

Eine Person

Ein Fahrzeug

Ein Motor

• hohe Bedeutung als interdisziplinäre Kommunikationsgrundlage in allen drei Darstellnugsformen

• Erstellungsreihenfolge: Grundfließbild -> Verfahrensfließbild -> R&I-Fließbild

Es lässt sich nicht die vollständige Anforderung an die Automatisierungsaufgabe entnehmen, z.B.:

• wie wirken PLT-Stellen aufeinander/ Reglerverhalten

• dynamische Prozessabläufe

  • in welcher Häufigkeit und welcher Genauigkeit erfolgt aufzeichnung von PLT-Stellen

• Technische Details

  • welche Geräte sind Verbaut

• wo liegen Alarmwerte (obere, untere Grenze)

Wo speichern und darstellen:

• andere Modelle

• Steuerungsdokumentationen (Reglerverhalten, SPS)

• Prozesssimulationssoftware (dynamik)

• Handbücher, technische Datenbanken (welche Geräte)

-> Kombination versch. Modelle, Dokumente, Tools ergibt ganzheitliche Darstellung

Als Engineering bezeichnet man

• Alle Phasen, die innerhalb des Vorgehens der Planung einer Produktionsanlage durchgeführt werden

• von erster Planung bis Inbetriebnahme

• Wartung während des Betriebs, Optimierung und Modernisierung

Gemäß NA35 Aufteilung in Projektierungsphasen

1. Project Requirements and Scope Definition

2. Conceptual Engineering

3. Basic Engineering

4. Detail Engineering

5. Construction

6. Commissioning and Start-Up

7. Project Closure

• Ende einer Phase nicht einfach darstellbar, weil Phasen fließend inneinander übergehen

• Engineering nie beendet, auch bei Betrieb -> Erst bei Außerbetriebnahme

Notwendigkeit:

• Planung und Realiserung von Automatisierungsprojekten umfassen viele Gewerke und komplexe Abhängigkeiten

  • Einteilen in Phasen für überschaubare, klar definierte Schritte

  • Verantwortlichkeiten Zuweisen

Hilfreich:

• bessere Koordination + Kommunikation

• Reduzierung Fehler und Missverständnisse durch ständige Dokumentation

Realistisch?:

• Idealisierte, lineare Vorgehensweise oft nicht realistisch, da iterative und parallele Prozesse/ Ablaufschritte nicht sauber Trennbar

  • Problematisch, wenn für jeweilige Schritte unterschiedliche Verantwortlichkeiten bestehen

• Obwohl Phasen hilfreich, oft dynamische Änderung in Realität

  • flexibler Einsatz notwendig

Alternative:

• Durchgängiges Engineering: Integration von Phasen und Gewerke durch gemeinsame Datenmodelle und Werkzeuge

• Ziel ist die Reduzierung von Schnittstellen und Förderung der interoperabilität

• V-Modell

• Simultaneous Engineering: sofern möglich phasenübergreifend parallel arbeiten

Gewerke:

• Gewerke sind spezifische Aufgabenbereiche/ Disziplinen innerhalb eines Projektes, vor allem in Automatisierungs- und Produktplanung

• Jedes Gewerk übernimmt klar definierte Aufgaben und Verantwortlichkeiten, z.B. Mechanik, Elektrik, Automatisierung, Prozessdesign

Abhängigkeit:

• technische Abhängigkeit:

  • Ein Gewerk benötigt Input oder Ergebnisse eines anderen (vorgelagerten) Gewerks

• zeitliche Abhängigkeit:

  • Ein Gewerk kann erst arbeiten, wenn andere (vorgelagerte) Gewerke ihre Arbeit abgeschlossen haben

Zusammenarbeit:

• z.B. Mechanik montiert ein Förderband, dass danach von Elektrik übernommen wird und Motoren an das Förderband anschließt. AT-Technik schreibt SPS. Elektrik kann erst arbeiten wenn Mechanik abgeschlossen, AT-kann teils parallel arbeiten sobald Elektrik kommuniziert hat welches Bauteil verbaut wird

• Zusammenstellung aller Anforderungen des Auftraggebers hinsichtlich Liefer- und Leistungsumfang

• Beschreibt lösungsneutral WAS und WOFÜR

• Dient als Grundlage für Ausschreibungen und Angebote

Das Lastenheft beeinhaltet:

1. Einführung in das Projekt

2. Beschreibung Ausgangssituation (Ist-Zustand)

3. Aufgabenstellung (Soll-Zustand)

4. Schnittstellen

5. Anforderungen an die Systemtechnik

6. Anforderungen für die Inbetriebnahme und den Einsatz

7. Anforderungen an die Qualität

8. Anforderungen an die Projektabwicklung

• Aufzeichnung, wie Anforderungen vom Auftragnehmer umgesetzt werden sollen

  • Prüfen auf Realisierbarkeit ggf. Alternativen aufzeigen

(alle Punkte des Lastenhefts)…

1. Systemtechnische Lösung (WIE)

2. Systemtechnik (WOMIT)

• Überprüfung des Pflichtenhefts, sicherstellen, dass das Pflichtenheft die im Lastenheft definierten Anforderungen vollständig und korrekt widerspiegelt

Schritte:

• Abgleich mit Lastenheft: Funktion, Leistung, Ziele

• Plausibilitätsprüfung: technische umsetzbar, realistische Lösung

• Lückenanalyse: identifizieren von fehlenden, unklaren Punkten

Rückmeldung an Auftragnehmer:

• kommentieren

• Anpassungen fordern

• abstimmen

-> Freigabe Pflichtenheft: dokumentieren, vertragliche Grundlage Schaffen

PLT-Stellenblatt:

• Dokument, das die spezifischen Informationen und Anforderungen für eine einzelne PLT-Stelle beschreibt

• gehört mit dem Lastenheft zu Basic-Engineering und somit Anforderungsstelle

PLT-Stellenplan:

• Übersicht aller PLT-Stellen einer Anlage oder Anlagenteil

• Strukturierte Darstellung der Zusammenhänge und Verbindungen zwischen den PLT-Stellen

• gehört mit Pflichtenheft zu detail-Engineering also erfüllen von Anforderungen

PLT-Stellenfunktionsplan:

• grafische Darstellung der Funktion einer PLT-Stelle in Form einer logischen Ablaufbeschreibung

• Funktionsplan für Steuerungsaufgaben

• gehört mit Pflichtenheft zu detail-Engineering also erfüllen von Anforderungen

-> erinnert an Funktionsbausteinsprache (FBS) zur Programmierung von SPS

Verteilung:

• Anforderungsspezifikationen (Lastenheft, PLT-Stellenblatt, R&I-Fließbild) in Basic-Engineering selber machen -> Bildet Grundlage für Erfolg des Projekts

• Teile des Detail-Engineering abgeben (spezialisierte Firmen um Zeit und Ressourcen effizient zu nutzen -> optimiert Prozess)

  • Detailplanung

  • Dokumentation

  • SPS Programmierung

Besonders wichtig für kleine und mittelständige Unternehmen!

Informationsschnittstellen im Engineering, weil:

• Verschiedene Gewerke (Mechanik, Elektrik) arbeiten mit unterschiedlichen CAE Tools, die oft inkompatible Datenformate nutzen

• Lebenszyklus einer Anlage erfordert den Austausch großer Datenmengen zwischen Planungsphasen und -tools (z.B. Prozessdesign zu PLS-Engineering)

• Informationsschnittstellen minimieren manuelle Übertragung, die fehleranfällig (Informationsverlust) und zeitaufwendig ist

was muss sichergestellt werden:

• alle übertragenen Informationen müssen vollständig, korrekt und ohne Verlust der Struktur weiteregegeben werden

• Datenformate müssen interoperabel oder standardisiert sein (CAEX, Automation ML)

• müssen festlegen, welche Daten übertragen werden und wie sie zu interpretieren sind

Anforderungen an Schnittstelle:

• Übertragung von Topologien ohne manuelle Zwischenschritte CAE->PLS

• sicherstellen, dass Änderung konsistent rückgeführt werden PLS->CAE

• Daten werden in einem standartisierten, maschinenlesbaren Format übertragen, dass beide Tools versteht -> CAEX, Automation ML

• Unterstützung des Lebenszyklus

• Interdisziplinäre Zusammenarbeit (zwischen Gewerken)

• Standardisierung und Modularisierung (einheitliche Strukturen)

• Integration und Datenmanagement (zentrakisierte Daten)

• Struktur- und Funktionsmodelle, klare Visualisierung und Simulation

• Automatisierung, Zeit- und Kostenersparnis durch automatische Generierung

• Dokumentation, Sicherstellung der Nachvollziehbarkeit

Abbildung Anlage im Rechner:

• mit Hilfe von strukturierten Datenmodellen

• CAEX (Computer Aided Engineering eXchange)

  • ermöglicht durchgängigen, verlustfreien Datenaustausch

  • ermöglicht explizite Beschreibung der Anlagenstruktur, sowie Art der enthaltenen Daten (Objektorientiert)

Wesentliche Elemente von CAEX:

• 4 Bibliotheken, die Elemente darin sind in Klassen bzw. Typen strukturiert

• eine Instanz-Hierarchie

  • konkretes Objekt mit Objekt-Instanzen

Säulen:

• Instance Hierarchy: Hierarchische Struktur mit konkreten Instanzen

• System Unit Class: Typdefinition für Geräte, Funktionen, Rollen (spezialisiert)

• Role Class: Abstrakte Beschreibung von Funktionen und Rollen

  • Pumpe, Tank, Ventil, Rohrleitung

• Attribute Type: Standardisierte Definition von Attributen und Typen

  • Volumen, Höhe, Durchmesser, Länge

• Interface Class: Beschreibt standardisierte Schnittstellen

  • Produktfluss, Energiefluss, Informationsfluss, Kraftfluss

Mischanlage:

Anderes Beispiel:

es fehlt:

• dynamisches Prozessverhalten: wie verhält sich der Prozess über die Zeit? keine Information über Steuersequenzen oder Übergangszustände

• Echtzeitdaten und Prozesswerte: keine Information über Echtzeitmesswerte von Sensoren wie Druck, Temp. oder Durchfluss

• Steuerungslogik und Ablaufsteuerung

• Prozessbezogene Ereignisse und Alarme

-> statisches Modell ohne Echtzeitdaten, für dynamisches Verhalten und Daten muss CAEX mit weiteren Modellen kombiniert werden

Rezeptfahrweise:

• beschreibt automatisiertes Abarbeiten eines Produktionsprozesses anhand von Rezepten -> Chargenprozesse

• erforderlich, wenn unterschiedliche Produkte auf der gleichen Anlage laufen

Bestandteile:

• Prozessparameter wie Temperatur, Druck, Geschwindigkeit oder Füllstand

• Einstellungen der Maschinenkomponenten wie Pumpen, Ventile, Motoren

• Zeitvorgaben für die einzelnen Prozessschritte

• Liste der Rohstoffe, Liste der Hilfsmittel, Verfahrensvorschrift

SPS Programmierung:

• Im SPS-Programm wird bezug genommen auf Eingangs- und Ausgangssignale und somit auf Aktoren und Sensoren -> Lösung: SPS mit flexiblen Parametern , Rezept passt Parameter an,

  • Unterscheidung in Verfahrens-, Werks-, Grund-, Steuerungsrezept

• Alternative: Handbetrieb oder individuelle SPS Programmierung

• Existieren, um Trennung von Verfahrensbeschreibung und technischer Umsetzung zu ermöglichen

• abstrakte Rezepte: beschreiben WAS im Prozess zu tun ist, unabhängig von Anlage, hoher Abstraktionsgrad, ohne genaue Werte

• konkrete Rezepte: beschreiben WIE Prozess auf einer bestimmten Anlage ausgeführt wird, sehr detailliert, mit spezifischen Parametern

Eine Mehrprodukr-Mehrstrang-Anlage ist eine Produktionsanlage, die gleichzeitig mehrere Produkte auf unabhängigen Produktionssträngen herstellen kann.

Vorteile sind:

• hohe Flexibilität

• erhöhte Effizienz

• optimierte Ressourcennutzung

• schnelle Anpassung an Marktanforderung

• minimale Stillstandszeiten

• Skalierbarkeit

Dekomposition von groß zu fein

Weiteres Beispiel: Strom erzeugen

Wert einer Anlage kann erhöht werden durch:

• Optimierung des Betriebs: weniger Rohstoffverbrauch, weniger Energieverbrauch, höhere Ausbeute

• Maximierung der Verfügbarkeit der Anlage:

  • Reduktion ungeplanter Stillständszeiten

  • Reduktion geplanter Stillstandszeiten

-> Plant Asset Management: maximierung Verfügbarkeit, durch Betrachtung der Details bei objektbezogener Anlagenbetreuung (effiziente Wartungsplanung, Zustandsüberwachung, Datenanalyse und Lebenszyklusverwaltung)

Ausfallzentriert

• Führt zu ungeplanten Anlagenstillstand -> Kosten

Zeitabhängige Vorbeugende Instandhaltung

• führt zu überflüssigen geplanten Anlagenstillstand

• Anlagenkomponenten werden ohne direkte notwendigkeit ausgetauscht

Zustandsabhängige und Vorausschauende vorbeugende Instandhaltung

• erfordern Information von und über Anlagenkomponeten -> Informationen werden im Asset Management System ausgewertet

• Monitoring von Anlagenkomponenten ermöglicht gezielte Instandhaltung wenn absehbar ist, das Teile ihr Nutzungsdauerende erreicht haben

modulare Anlage:

• Anlage aus vorgefertigten standardisierten Modulen

• je nach bedarf kombinierbar

• Zeitliche Zerlegung Engineering Prozess nach Top-Down ungeneignet für modulare Anlagen

• standartisiertes Interface und Interaktionen

• Ziel: Modularisierungsmethode ist Zerlegung komplexer Systeme in einfach beherschbare Teilsysteme

• hierarchischer Aufbau notwendig

Nutzen:

• flexibilität, Skalierbarkeit, Kostenersparnis

• schnelle Inbetriebnahme, einfache Wartung, gezielte Erweiterungen

Das Adressraummodell ist das grundlegende Meta-Modell, dass die Struktur und Elemente definiert (Knoten und Referenzen), während das Informationsmodell auf diesem basiert, um spezifische Daten und deren Beziehungen in einer standardisierten, durchsuchbaren Form darzustellen

• Object: repräsentiert physische oder logische Entitäten

• Object type: definiert Struktur und Verhalten von Objekten

• Variable: speichert Wert

• Variable type: definiert Typ und Struktur von Variablen

• Method: repräsentiert Funktion, die aufgerufen werden können (Start/ Stop)

• Reference type: definiert Arten von Verbindungen zw. Knoten

• View: gefilterter Abschnitt des Adressraums

• Data type: repräsentiert Datentypen, die für Variablen oder MEthoden verwendet werden

PLT-Stelle als Oval gekennzeichnet:

Weiterverarbeitung der Messwerte:

Kennbuchstaben:

• Vater Kind Relation zwischen Objektreferenzen, Klassen gleichen Typs

• Vererbungsbeziehungen zwischen Klassen gleichen Typs

• Klassen Instanz Relation

• Instanz Instanz Relation

-> haben nichts mit Interface Class zu tun, ist etwas weiteres, um System zu beschreiben

Alternative: Koordinationssteuerung

• Aufgaben und Entwurf für Koordination von Teilanlagen bzw. Modulen

• regelt Ablauf mehrerer mit einander verknüpfter Prozessschritte oder Module

1. Zustandsbasierte Steuerung:

   • Prozessschritt ist Zustand, übergänge zwischen Zuständen werden durch Ereignisse oder Bedingungen ausgelöst

2. Synchronisation:

   • Steuerung synchronisiert verschiedene Teilprozesse oder Geräte

3. Kommunikation:

   • nutzt Signale und Daten zwischen Maschinen oder Prozessschritten (-> OPC UA, Bus)

4. Sequenzkontrolle

   • steuert, welche Aktion wann und unter welchen Bedingungen ausgeführt wird