Teil 2

• Automatisierung verfahrenstechnischer Prozesse

• Unterdisziplin der Automatisierungstechnik

• Anforderung an den Prozessleittechniker:

  • Verständnis für verfahrenstechnische Prozesse

  • Kenntnis der besonderen Anforderungen von Prozessen und Stoffen hinsichtlich Umgebungsbedingungen und Sicherheit

Erarbeitung der Aufgabenstellung für die Automatisierungstechnik:

• Welche Größen sollen geregelt werden und auf welche Werte (min, max, Betriebspunkt)?

  • In der Prozessindustrie: vor allem Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand

• Welche Größen sollen gemessen (angezeigt, registriert) werden?

• Welche Größen können gemessen werden, und wo?

• Welche Größen können beeinflusst werden, und wo?

• Wo sollen welche Größen angezeigt werden (am Messort oder zentral)?

• Wie sieht das Bedienkonzept des Betreibers aus?

• Welche Ausfallstrategien sind zu verfolgen?

• ... Weitere Systemfunktionen (später)

-> Automatisierungstechnisches Konzept für die Anlage

Hauptunterschied:

Anlagenengineering

• konzentriert sich auf die Integration verschiedener Systeme in einem Produktionsprozess

• niedrige Stückzahlen, große Zahl von Sensoren und Aktoren

• Entwurf von Automatisierungssystemen über konzeptionelle Zerlegung der Automatisierungsaufgabe in viele kleine, parallele und unabhängige Teilaufgaben, für die Standardlösungen ausgewählt und kombiniert werden.

Produktentwicklung

• fokussiert sich auf das Design und die Fertigung eines autonomen Produkts

• hohe Stückzahlen, kleine Zahl Sensoren und Aktoren

• Entwurf der Automatisierungslösung über Prototypen, deren Aufbau und Parametrierung iterativ optimiert wird

Gemeinsamkeiten:

• Einsatz von Automatisierungstechniken.

• Nutzung von Software-Tools für Planung, Simulation und Steuerung.

• Ziel der Effizienzsteigerung und Fehlerreduktion.

  
  

1. Engeneering effizienter gestalten

• nach NA 35

• VDI 2221

1. Gewerkeübergreifende Planung in der FT

   1. Tor einer Brauerei

2. Datenaustausch an den Schnittstellen der Gewerke

   1. M-CAD -> E-CAD -> Programmiersystem

      
      

ChatGPT:

1. Modularisierung

• Die Gesamtanlage wird in kleinere, unabhängige Module oder Subsysteme zerlegt, die jeweils eine klar definierte Funktion erfüllen.

• Jedes Modul wird separat entwickelt, getestet und später in das Gesamtsystem integriert.

• Bsp.: Abfüllanlage für Getränke

2. Einsatz von Standards und Normen

• Standards und Normen, wie IEC 61131-3 (für SPS-Programmierung) oder ISO 9001 (Qualitätsmanagement), sorgen für einheitliche Vorgehensweisen und Kompatibilität.

Wiederverwendbare Bibliotheken und Bausteine reduzieren den Aufwand und die Fehleranfälligkeit.

3. Digitale Zwillinge und Simulation

• Ein digitaler Zwilling ist ein virtuelles Modell der Anlage, das alle relevanten Eigenschaften und Verhaltensweisen widerspiegelt.

• Simulation ermöglicht es, Prozesse und Abläufe bereits vor dem Bau der Anlage zu testen und zu optimieren.

Automatisierungsgrad (nominell)

-          Batch:                  71 %

-          Konti:                   97%

Automatisierungsgrad (real)

Zeitanteil, in dem eine Stellgröße im Automatik-Betrieb läuft

ChatGPT:

Konti-Anlagen höherer Automatisierungsgrad:

Der höhere Automatisierungsgrad von Konti-Anlagen ist eine Folge der Anforderungen an kontinuierlichen Betrieb, Prozessstabilität, Wirtschaftlichkeit und Skalierbarkeit. Automatisierung ermöglicht es, diese Anforderungen effizient und zuverlässig zu erfüllen, was insbesondere in Branchen wie Chemie, Petrochemie und Lebensmittelproduktion entscheidend ist.

• Betriebsmannschaft informieren

  • Werte von Messgrößen (Istwerte), Trends, Alarme bereitstellen

  • Betriebszustand des Systems

• Einwirken auf die Stellgeräte (Prozesssteuerung)

• Ablauf des Prozesses im bestimmungsgemäßen (sicheren) Zustand ermöglichen (Prozessführung)

• Produktherstellung (wenn nicht nur Transportprozess)

  • unter den vorgegebenen Randbedingungen (z.B. Umwelt)

  • in erforderlicher Menge und Qualität

  • mit geringsten Kosten (Energie, Rohstoffe, Personal und Reparatur)

• Eine hierarchische Gliederung des Leitsystems ist daher naheliegend

• Alle geforderten Funktionen werden systematisch erfasst und dokumentiert („Lastenheft“).

• Für jede Funktion wird eine Lösung ermittelt (aus früheren Projekten) oder neu erarbeitet („Pflichtenheft“).

• Hierbei wird ein hoher Grad von Wiederverwendung bewährter Lösungen angestrebt

• Eine Lösung besteht dabei immer aus etwas Software, dazu kommt oft automatisierungstechnische Hardware und (bei prozessnahen Funktionen) Sensorik und/oder Aktorik

ChatGPT:

Im Rahmen der Mensch-Prozess-Kommunikation werden Anlagenfahrern alle relevanten Informationen bereitgestellt, um den Betrieb einer Anlage sicher, effizient und kontrolliert zu steuern. Diese Informationen können in verschiedene Kategorien unterteilt werden:

• Prozesszustände

• Soll-Ist-Vergleiche

• Alarme und Warnungen

• Historische Daten

• Steuerungsinformationen

• Sicherheits- und Notfallinformationen

• Betriebs- und Wartungsinformationen

• Energie- und Ressourcennutzung

• Prozessabläufe und Rezepturen

• Kommunikations- und Teamunterstützung

Anlagenfahrer benötigen eine Vielzahl von Informationen, um sicherzustellen, dass die Anlage effizient, sicher und innerhalb der vorgegebenen Parameter arbeitet. Moderne Mensch-Prozess-Kommunikation, oft über HMI- oder SCADA-Systeme, stellt diese Informationen in strukturierter und benutzerfreundlicher Form bereit, sodass schnelle und fundierte Entscheidungen getroffen werden können.

Horizontale Kommunikation: Feldbus, Industrial Ethernet

Vertikale Kommunikation: Konventionelle Verkabelung, Feldbus +Remote I/O, “reiner” Feldbus, Industrial Ethernet

ChatGPT:

Die Automatisierungspyramide bietet ein strukturiertes Modell, um komplexe industrielle Prozesse effizient zu organisieren. Jede Ebene hat spezifische Aufgaben, die zusammen eine nahtlose Zusammenarbeit zwischen der physischen Produktion und den strategischen Unternehmenszielen ermöglichen. In der Praxis wird die Pyramide durch moderne Technologien, standardisierte Kommunikationsprotokolle und integrierte Softwarelösungen realisiert.

Konventionelle Verkabelung:

• Übertragung analoger elektrischer Signale

• Jedes Signal wird auf einer eigenen physikalischen Leitung übermittelt.

• Jedes Signal steht dem Automatisierungssystem jederzeit zur Verfügung.

Feldbus-Kommunikation:

• Übertragung digitaler Signale bitseriell

• Eine physikalische Leitung für mehrere verschieden digitale Signale

• Die physikalische Leitung steht mehreren Signalen nicht gleichzeitig zur Verfügung (Zeitmultiplex).

ChatGPT:

Die Wahl der Verdrahtungs- und Austauschmethode hängt von der Komplexität der Anlage, den Anforderungen an Geschwindigkeit und Flexibilität sowie dem Kostenrahmen ab:

• Punkt-zu-Punkt: Für kleine Anlagen mit überschaubaren Anforderungen.

• Feldbus: Für mittlere Anlagen, bei denen Reduktion der Kabel und Diagnostik wichtig sind.

• Industrielles Ethernet: Für hochkomplexe, moderne Anlagen, insbesondere bei Industrie-4.0-Anwendungen.

• Drahtlos: Für Anwendungen mit mobiler oder temporärer Infrastruktur.

In der Praxis werden oft mehrere Technologien kombiniert, um die Vorteile jeder Methode zu nutzen und spezifische Anforderungen zu erfüllen.

Alle Slaves der Anlage sind über ein Bussystem mit dem Master verbunden

Informationen über andere Slaves werden vom Master erhalten, D.h. Slaves untereinander können nicht direkt miteinander kommunizieren, sondern nur über den Master

ChatGPT:

Die Master-Slave-Kommunikation ist ein Kommunikationsprinzip, das in der Automatisierungstechnik sowie in verschiedenen Netzwerkprotokollen verwendet wird. Es beschreibt eine hierarchische Beziehung zwischen Geräten, bei der ein Master-Gerät die Kommunikation initiiert und steuert, während die Slave-Geräte auf Anfragen des Masters reagieren.

ChatGPT:

Konventionelles Ethernet (wie es in klassischen IT-Netzwerken verwendet wird) ist nicht echtzeitfähig, weil es für allgemeine Datenkommunikation optimiert wurde und nicht die spezifischen Anforderungen von Echtzeitanwendungen erfüllt. Die Hauptgründe sind:

1.      Zufälliger Zugriff auf das Medium (CSMA/CD)

2.      Keine garantierte Übertragungszeit

3.      Keine Priorisierung von Daten

Echtzeitanforderungen an industrielles Ethernet

Industrielle Anwendungen, wie Automatisierungssysteme, benötigen Ethernet-basierte Netzwerke, die Echtzeitverhalten (RT) ermöglichen.

1.      Determinismus:

1. Determinismus bedeutet, dass die Übertragung von Daten in einem bekannten, garantierten Zeitrahmen erfolgt. Jedes Gerät im Netzwerk muss in der Lage sein, Nachrichten zu einem festgelegten Zeitpunkt zu erhalten oder zu senden.

2.      Geringe Latenz:

1. Latenz ist die Verzögerung zwischen der Anfrage und der Antwort im Netzwerk. In Echtzeitanwendungen darf die Latenz nicht variieren und muss innerhalb eines maximal definierten Zeitrahmens bleiben.

3.      Geringer Jitter:

1. Jitter bezeichnet Schwankungen in der Latenz. In Echtzeit-Systemen müssen diese Schwankungen minimal sein, damit Daten korrekt und rechtzeitig verarbeitet werden können.

4.      Priorisierung von Daten:

1. In industriellen Anwendungen sind einige Daten wichtiger als andere (z. B. Not-Aus-Signale oder Steuerbefehle für kritische Maschinen). Daher müssen Mechanismen zur Priorisierung der Daten vorhanden sein.

5.      Fehlertoleranz und Zuverlässigkeit:

1. Ein industrielles Ethernet-Netzwerk muss gegen Fehler und Störungen robust sein, um die Kommunikation auch bei Ausfällen oder Störungen aufrechtzuerhalten.

Wie können diese erfüllt werden

1. Profinet (mit IRT - Isochronous Real-Time)

2. EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)

3. TSN (Time-Sensitive Networking)

4. AVB (Audio Video Bridging)

Zusammenfassung der Lösungen:

Steigender Bedarf nach vereinheitlichter Kommunikation und gemeinsamen Informationsmodellen, darum OPC UA (Open Platform Communications –Unified Architecture):

• Sammlung von Spezifikationen und Technologien, mit der Komponenten eines industriellen Automatisierungssystems miteinander auf sichere und zuverlässige Weise semantisch modellierte Informationen austauschen können

• Standardisierte Industrie 4.0-Kommunikation

• Informationsmodelle definieren gemeinsame Repräsentation von Maschinen derselben Kategorie

• Maschinen verschiedener Hersteller stellen Daten auf gleicher Weise zur Verfügung

• Erleichterung der Systemintegration: Plug & Produce

• OPC UA eignet sich sowohl zur horizontalen als auch zur vertikalen Kommunikation

Adressraum-Modell ist das Meta-Modell, auf dem alle OPC-UA-Modelle basieren und legt damit die grundlegenden Standardbegriffe fest, mit denen Server Informationsobjekte für Clients beschreiben.

Referenzen verbinden verschiedene Nodes miteinander.

Fließbilder

• In der Prozessindustrie finden Fließbilder/-schemata nach DIN 28004 und DIN EN ISO 10628 Verwendung

• Ein Fließbild ist eine schematische Darstellung aufeinanderfolgender und/oder paralleler Vorgänge, die sich im Falle einer verfahrenstechnischen Anlage auf die darin enthaltenen Stoffströme bezieht.

• In den Normen sind verschiedene Darstellungsformen eines Prozesses für fortschreitende Planungsstadien einer Anlage beschrieben. Nach ihnen finden drei Arten von Fließbildern/-schemata Verwendung:

  • Grundfließbild

  • Verfahrensfließbild

  • Rohrleitungs- & Instrumentierungs-Fließbild

    
    

• Darstellung eines Verfahrens […] in vereinfachter Form mit Hilfe von Rechtecken, die durch Linien verbunden sind.

• Die Rechtecke können u.a. Verfahren, Grundoperationen und (Teil-)Anlagen Darstellen

• Die Fließlinien können Materialströme oder Energieflüsse darstellen

• Erforderliche Informationen

  • Benennung der Grundoperationen, Verfahren, Verfahrensabschnitte (Darstellung als Rechteck)

  • Benennung der Ein- und Ausgangsstoffe

  • Fließrichtung der Hauptstoffe

  Optionale Informationen

  
  

  • Benennung der Stoffe zwischen den Rechtecken

  • Durchflüsse bzw. Mengen der Ein- und Ausgangsstoffe

  • Durchflüsse bzw. Mengen von Energie / Energieträgern

  • charakteristische Betriebsbedingungen

• Darstellung eines Verfahrens […] mit Hilfe von graphischen Symbolen, die durch Linien verbunden sind

• Graphische Symbole entsprechen Anlageteilen

• Linien stellen Fließlinien für Stoffe und Energien bzw. Energieträger dar

Erforderliche Informationen

• Art und Bezeichnung der Apparate und Maschinen (ohne Antriebsmaschinen)

• Fließweg und –richtung der Ein- und Ausgangsstoffe

• Benennung und Durchflüsse bzw. Mengen der Ein- und Ausgangsstoffe

• Benennung von Energie bzw. Energieträgern

• charakteristische Betriebsbedingungen

Optionale Informationen (Auswahl)

• Benennung und Durchflüsse bzw. Mengen zwischen Verfahrensschritten

• Anordnung wesentlicher Armaturen

• Ergänzende Betriebsbedingungen

• Plattformhöhe und ungefähre vertikale Position der Anlagenteile

• illustriert durch graphische Symbole […] die technische Realisierung eines Verfahrens

• Graphische Symbole entsprechen Anlageteilen, Rohrleitungen und Mess-, Regel- und Steuerfunktionen

Erforderliche Informationen (Auswahl)

• Funktion und Art der Apparate und Maschinen, einschließlich Antriebsmaschinen,

• kennzeichnende Größen von Apparaten und Maschinen, gegebenenfalls in getrennten Listen;

• Bezeichnung von Nennweite, Druckstufe, Werkstoff und Ausführung der Rohrleitungen, z. B. durch Rohrleitungsnummer und Rohrleitungsklasse oder Kennzeichnungen;

• Angaben zu Apparaten, Maschinen, Rohrleitungen sowie Ventilen und Fittings (Armaturen), z. B. Übergangsstücke (Reduzierstücke), gegebenenfalls in getrennten Listen;

• Symbole für Prozessleittechnikaufgaben, einschließlich Buchstabenschlüssel für Prozessvariablen, Regel- und Steuerfunktionen sowie Bezeichnung der Prozessleittechnikaufgabe;

• kennzeichnende Daten von Antriebsmaschinen, gegebenenfalls in getrennten Listen.

Optionale Informationen (Auswahl)

• Art der EMSR-Geräte

• Plattformhöhe und ungefähre relative vertikale Lage der Anlagenteile

• Benennung von Anlagenteilen

Beispiel: Prozessdarstellung eines beheizten Rührkessels

1. Grundfließbild für den beheizten Rührkessel

[Rohr 1] → [Heizsystem] → [Rührkessel] → [Abwärme] → [Produkt]

1. Prozessflussdiagramm (PFD) für den beheizten Rührkessel

Das PFD bietet detailliertere Informationen über die Prozessströme und Geräte:

[Rohr 1] → [Pumpe] → [Heizsystem] → [Rührkessel] → [Pumpe] → [Produkt]

               ↑               ↑

              [Temperatur Sensor] → [Druck Sensor]

Hier sehen wir, wie Rohstoffe durch Pumpen zum Rührkessel geleitet werden, der durch ein Heizsystem beheizt wird. Temperatur- und Drucksensoren überwachen den Prozess.

1. Prozess- und Instrumentierungsdiagramm (P&ID) für den beheizten Rührkessel

Das P&ID zeigt die detaillierte Instrumentierung und Rohrleitungen:

[Rohr 1] → [Pumpe (P-101)] → [Heizsystem (H-101)] → [Rührkessel (R-101)] → [Produkt]

              ↑                  ↑

             [Temperatur Sensor (T-101)] → [Druck Sensor (P-102)]

In diesem P&ID sehen wir alle Instrumente (Temperatur- und Drucksensoren, Pumpen), Ventile und Rohrleitungen, die den vollständigen Betrieb des beheizten Rührkessels steuern und überwachen.

Darstellung von Automatisierungstechnischen Informationen im Fließbild

• Instrumente: Werden durch standardisierte Symbole dargestellt (z. B. Sensoren, Regler, Ventile).

• Steuergeräte und Aktoren: Werden durch Symbole für elektrische und pneumatische Komponenten angezeigt, die für die Regelung und Steuerung des Prozesses verantwortlich sind.

• Verbindungen: Rohrleitungen und elektrische Verbindungen

• Alarmsysteme: Sicherheits- und Alarmschaltungen

ChatGPT:

Neben Fließbildern müssen ergänzende Dokumente und Techniken verwendet werden, um die fehlenden Informationen darzustellen und zu speichern:

1. Steuerungs- und Regelstrategien: In Steuerungsdokumentationen, Funktionsdiagrammen, SPS-Programmen oder Zustandsdiagrammen.

2. Technische Details und Spezifikationen: In Gerätehandbüchern, Wartungsdokumentationen oder technischen Datenbanken.

3. Dynamische Prozessverläufe: In Prozesssimulationssoftware, Zeitdiagrammen und Trendanalyse-Tools.

4. Sicherheits- und Notfallmanagement: In Sicherheitsdokumentationen wie HAZOP-Studien, Risikoanalysen und Notfallplänen.

5. Kommunikationsnetzwerke: In Netzwerkdiagrammen und IT-Systemarchitekturen.

6. Wartungs- und Instandhaltungsprozesse: In CMMS-Systemen und Wartungsplänen.

Durch eine gezielte Kombination dieser verschiedenen Dokumente und Tools wird eine umfassende und ganzheitliche Darstellung der Anlage und ihrer Prozesse gewährleistet.

NA 35 Basic Engineering

• Grundlage für Ausschreibung

• In der Planung werden daher die Anforderungen spezifiziert (WAS muss gemessen/gesteuert/geregelt werden), aber nicht die Ausführung (WIE wird es implementiert).

• Dokumente zur Anforderungsspezifikation

  • Lastenheft

  • R&I-Fließbild

  • PLT-Stellenblatt

NA 35 Detail Engineering

• Das Detail Engineering spezifiziert im Detail,

• wie die Anforderungen umgesetzt werden sollen.

• Dokumente zur Ausführungsplanung

  • Pflichtenheft

  • PLT-Stellenplan

  • PLT-Stellenfunktionsplan

ChatGPT:

Gewerke sind spezialisierte Fachbereiche oder Teilelemente in einem Projekt, die für bestimmte Aufgaben zuständig sind (z. B. Baugewerk, Elektroinstallation, Automatisierungstechnik).

Es gibt enge Abhängigkeiten zwischen den Gewerken, da das eine Gewerk oft erst nach Abschluss eines anderen Gewerks arbeiten kann (z. B. Elektroinstallation nach dem Rohbau).

Beispiel für die praktische Zusammenarbeit:

1. Bauunternehmen stellt das Fundament und die Struktur bereit.

2. Elektroinstallationsteam verlegt Kabel und Steckdosen, während es sicherstellt, dass genug Stromversorgungskapazität für die kommenden Maschinen vorhanden ist.

3. Automatisierungstechnik installiert Maschinen, Sensoren und Steuerungen und sorgt dafür, dass alles elektrisch und steuerungstechnisch korrekt funktioniert.

4. Rücksprache und Anpassungen: Während der Bauphase müssen alle Gewerke immer wieder abstimmen, um sicherzustellen, dass die elektrischen Leitungen an den richtigen Stellen sind, dass Maschinen richtig montiert werden können und dass keine nachträglichen Änderungen erforderlich sind.

ChatGPT:

Was kennzeichnet das Ende einer Phase?

Das Ende einer Phase wird durch die Erreichung eines klar definierten Meilensteins und die Abnahme der erbrachten Leistungen durch die relevanten Stakeholder (z. B. Projektmanager, Ingenieure, Kunden) gekennzeichnet. Eine Phase ist abgeschlossen, wenn:

• Alle geplanten Aktivitäten innerhalb der Phase abgeschlossen sind.

• Die Ziele der Phase erreicht wurden.

• Eine formelle Abnahme der Ergebnisse erfolgt ist, die oft in Form eines Abnahmeprotokolls oder einer Genehmigung dokumentiert wird.

  
  

Das Engineering ist in der Regel abgeschlossen, wenn die Realisierung und Inbetriebnahme eines Systems oder einer Anlage erfolgreich durchgeführt wurde. Dies bedeutet:

• Alle Phasen des Engineerings (von der Konzeption bis zum Betrieb) wurden durchlaufen und erfolgreich abgeschlossen.

• Tests und Abnahmen wurden erfolgreich durchgeführt.

• Die Anlage oder das System ist betriebsbereit und erfüllt alle festgelegten Anforderungen.

• Das Engineering kann jedoch nicht immer eindeutig mit der Übergabe an den Betrieb als "abgeschlossen" betrachtet werden, da es in der Betriebsphase weiterhin Wartungs- und Optimierungsaktivitäten geben kann. Auch Änderungen und Erweiterungen der Anlage können nachträglich durchgeführt werden, was das Engineering auch nach der Inbetriebnahme weiter beeinflusst.

Ist die Phaseneinteilung notwendig, hilfreich und realistisch?

·         Notwendig: Ja, die Phaseneinteilung ist notwendig, weil sie eine strukturelle Herangehensweise an das Projektmanagement ermöglicht und hilft, die Übersicht zu bewahren. Ohne eine klare Phasenaufteilung könnte das Projektmanagement chaotisch werden, insbesondere bei komplexen und ressourcenintensiven Projekten.

·         Hilfreich: Ja, die Phasen sind hilfreich, da sie die Planung und Überwachung des Projekts vereinfachen. Durch klare Ziele und Meilensteine in jeder Phase kann der Fortschritt besser verfolgt und gesteuert werden. Die Phaseneinteilung fördert eine klare Kommunikation und eine transparente Dokumentation.

·         Realistisch: Ja, aber die Phaseneinteilung ist nicht immer in allen Projekten 100% realistisch. In dynamischen oder agilen Projekten können die Phasen durch die Agilität der Arbeit und die Notwendigkeit, schnell auf Änderungen zu reagieren, weniger starr umgesetzt werden. In solchen Fällen könnte eine zu rigorose Phaseneinteilung als unpraktisch angesehen werden.

Alternative Vorgehensweisen:

1. Agiles Engineering (Agile Methodology)

2. V-Modell

3. Iterative Entwicklung

4. Lean Engineering

Aufgabe:

Das Lastenheft beschreibt die Anforderungen und Wünsche des Auftraggebers an ein geplantes Produkt oder System. Es stellt die Grundlage für die Vergabe und den Entwicklungsprozess dar und gibt die Richtung vor, wie das Endprodukt aussehen soll, ohne jedoch detailliert auf die technische Umsetzung einzugehen. In gewisser Weise stellt das Lastenheft eine Vertragsgrundlage zwischen dem Auftraggeber und dem Auftragnehmer dar.

Inhalt:

Aufgabe:

Das Pflichtenheft folgt auf das Lastenheft und beschreibt, wie die Anforderungen aus dem Lastenheft technisch umgesetzt werden. Es wird in der Regel vom Auftragnehmer (z. B. Entwickler, Ingenieurbüro) erstellt und stellt die technische Planung und Umsetzung des Projekts dar. Das Pflichtenheft dient als vertragliche Grundlage für die Projektdurchführung und stellt sicher, dass der Auftragnehmer die im Lastenheft definierten Anforderungen korrekt umsetzt.

Inhalt:

1. Technische Lösung:

• Eine detaillierte Beschreibung der geplanten technischen Umsetzung, wie z. B. die Architektur des Systems, Verfahren und Technologien, die verwendet werden sollen.

2. Detaillierte Anforderungen:

• Eine Aufschlüsselung der funktionalen und nicht-funktionalen Anforderungen aus dem Lastenheft in konkrete, messbare und prüfbare Spezifikationen.

3. Systemdesign:

• Hardware- und Softwaredesign: Wie wird das System aufgebaut, welche Technologien kommen zum Einsatz, welche Systeme und Komponenten werden integriert?

• Schnittstellenbeschreibung: Wie interagiert das System mit anderen Systemen oder externen Komponenten?

4. Zeit- und Ressourcenplanung:

• Meilensteine, Zeitrahmen und Ressourcen, die für die Umsetzung des Projekts erforderlich sind (z. B. Arbeitsaufwand, Materialien, Personal).

5. Test- und Abnahmeverfahren:

• Wie wird die Qualitätssicherung durchgeführt? Welche Tests werden gemacht, um sicherzustellen, dass das System den Anforderungen entspricht?

• Detaillierte Beschreibung der Abnahmeprozesse und wie die verschiedenen Anforderungen validiert werden.

6. Kostenplanung:

• Eine detaillierte Kostenaufstellung, die den budgetierten Aufwand für die Umsetzung des Projekts umfasst.

7. Risikoanalyse:

• Eine Analyse von Risiken und wie mit diesen umgegangen wird, um mögliche Probleme im Projektverlauf zu minimieren.

Wie würde ich das machen?

1.      Systematische Prüfung: Ich würde das Pflichtenheft systematisch durchgehen und dabei die Anforderungen aus dem Lastenheft mit den vorgesehenen technischen Lösungen im Pflichtenheft vergleichen. Ich würde sicherstellen, dass alle relevanten Anforderungen korrekt und vollständig erfasst sind.

2.      Abstimmung mit Experten: Da ich als Auftraggeber möglicherweise nicht alle technischen Details verstehe, würde ich Techniker oder Ingenieure hinzuziehen, um die technischen Lösungen und Machbarkeit zu prüfen. Gemeinsam würden wir sicherstellen, dass alles klar und realistisch ist.

3.      Fragen stellen und Klarstellen: Falls es Unklarheiten gibt, würde ich Rückfragen an den Auftragnehmer stellen und darauf bestehen, dass Unklarheiten vor der Genehmigung des Pflichtenhefts beseitigt werden.

4.      Risikoanalyse durchführen: Ich würde sicherstellen, dass alle Risiken berücksichtigt wurden und dass Notfallpläne vorhanden sind.

5.      Abnahme des Dokuments: Nachdem alle Prüfungen abgeschlossen und alle Fragen geklärt wurden, würde ich das Pflichtenheft genehmigen und für die Umsetzung freigeben.

Wichtig ist, dass der Auftraggeber nicht nur das Pflichtenheft liest, sondern auch sicherstellt, dass es die Grundlage für die tatsächliche Umsetzung des Projekts bildet und dass er in den kommenden Phasen des Projekts weiterhin eng mit dem Auftragnehmer zusammenarbeitet.

ChatGPT:

Ein PLT-Stellenblatt (Prozessleittechnik-Stellenblatt) ist ein Dokument, das eine detaillierte Beschreibung der Aufgaben und Funktionen einer bestimmten Stelle (Position) innerhalb eines Automatisierungs- oder Prozessleitsystems enthält. Es wird verwendet, um die Verantwortlichkeiten, Arbeitsabläufe und Parameter für ein bestimmtes Element der Prozessleittechnik zu definieren. Das Stellenblatt beschreibt, welche Eingaben, Verarbeitungen und Ausgaben für die betreffende Stelle relevant sind.

Inhalte eines PLT-Stellenblatts:

• Bezeichnung der Stelle: Eine genaue Bezeichnung der Position oder des Moduls.

• Funktion und Aufgaben: Detaillierte Beschreibung der Funktion der Stelle im System (z. B. Steuerung eines Motors, Regelung der Temperatur).

• Ein- und Ausgänge: Beschreibung der Signale, die in die Stelle eingehen, und der Signale, die ausgegeben werden.

• Prozessparameter: Wichtige Parameter, die für den Betrieb und die Steuerung relevant sind.

• Verwendete Geräte oder Schnittstellen: Welche Geräte oder Komponenten werden an dieser Stelle verwendet (z. B. Sensoren, Aktoren)?

• Betriebs- und Sicherheitsvorgaben: Anforderungen an den sicheren Betrieb und die Sicherheit der Stelle.

• Schaltplan, der die Zusammenschaltung aller zu einer PLT-Stelle gehörenden Geräte wiedergibt

• Detaillierterer Einblick in eine PLT-Stelle, als dies in einem R&I-Fließbild möglich wäre

ChatGPT:

PLT-Stellenplan

Ein PLT-Stellenplan ist eine grafische Darstellung oder Übersicht aller Stellen (Positionen) innerhalb eines Automatisierungs- oder Prozessleitsystems. Der Plan zeigt, wie verschiedene Stellen im System miteinander verbunden sind und welche kommunikativen Beziehungen zwischen den einzelnen Stellen bestehen.

Inhalte eines PLT-Stellenplans:

• Alle Stellen im System: Eine Übersicht aller wichtigen Stellen (Einheiten, Module), die im Prozessleitsystem verwendet werden.

• Verbindungen und Schnittstellen: Es wird dargestellt, wie die Stellen miteinander verbunden sind, einschließlich der Kommunikationsverbindungen und Schnittstellen.

• Hierarchie der Stellen: Die Stellen können hierarchisch angeordnet sein, um die Struktur des Systems zu verdeutlichen.

• Prozessfluss: Der Plan kann auch den Prozessfluss oder die Datenflüsse zwischen den Stellen visualisieren.

Der PLT-Stellenplan hilft dabei, einen schnellen Überblick über die gesamte Automatisierungstechnik zu erhalten und die Integration und Kommunikation zwischen den verschiedenen Stellen zu verstehen.

Stellenfunktionsplan

Ein Stellenfunktionsplan beschreibt die genauen Funktionen und Zusammenhänge der verschiedenen Stellen innerhalb des Automatisierungssystems. In einem solchen Plan werden die Funktionalitäten jeder Stelle detailliert dargestellt und aufgelistet, wie sie zur Gesamtfunktion des Systems beiträgt.

Inhalte eines Stellenfunktionsplans:

• Funktion der einzelnen Stellen: Jede Stelle im System wird mit ihrer spezifischen Funktion beschrieben (z. B. Steuerung, Regelung, Datenverarbeitung).

• Verknüpfungen und Interaktionen: Der Plan zeigt, wie die einzelnen Stellen miteinander interagieren und wie sie Daten und Signale austauschen.

• Prozessabläufe: Es wird beschrieben, wie die verschiedenen Stellen gemeinsam den gesamten Prozessablauf steuern oder regeln.

Der Stellenfunktionsplan ist somit besonders wichtig für die Planung und Optimierung der Funktionalität des Systems.

Erinnert an:

• Funktionsbausteinsprache

• Funktionsblockdiagramme (FBD): Diese Programmiersprache verwendet Blöcke, die bestimmte Funktionen repräsentieren, und zeigt, wie diese Blöcke miteinander verbunden sind. Der Stellenfunktionsplan verwendet ebenfalls eine ähnliche logische Struktur, da er zeigt, wie Stellen miteinander kommunizieren und welche Funktionen sie erfüllen.

Basic Engineering:25%

Detail Engineeging 55%

ChatGPT:

Die Aufgaben im Engineering-Ablauf nach NA 35, die den größten Arbeitsumfang beinhalten, sind vor allem die Konzeption und Planung, Detailplanung und Konstruktion, Softwareengineering und Inbetriebnahme und Tests. Als Unternehmer würde ich insbesondere die strategische Planung und das Softwareengineering (wenn es intern machbar ist) selbst übernehmen, da diese Aufgaben die Grundlage für den Erfolg des Projekts bilden. Aufgaben wie die Detailplanung, Dokumentation und Teile der Softwareentwicklung könnten an spezialisierte Unterauftragnehmer vergeben werden, um Zeit und Ressourcen effizient zu nutzen.

• Vermeidung von Zeitverlust an Schnittstellen bei der Übergabe an andere Gewerke

• Vermeidung von Informationsverlust an Schnittstellen

Effizienz-Verluste vermeiden

• z.B. durch gemeinsam genutzte Beschreibungsmittel für eine eindeutige Informationsweitergabe

• z.B. durch gemeinsam über Gewerke hinweg genutzte Werkzeuge

• z.B. durch geeignete organisatorische Maßnahmen

  • vorgeschriebene Prozesse, gemischte Teams, …

Ein Beispiel hierfür ist die Übertragung von Anlagenobjekten (Pumpen, Ventilen, Rohrleitungen, Behältern, etc.) aus verfahrenstechnischen Simulationswerkzeugen in die CAE-Systeme der Prozessleittechnik.

ChatGPT:

Im Engineering-Prozess gibt es Informations-Schnittstellen, um eine effiziente und strukturierte Kommunikation zwischen verschiedenen Systemen, Abteilungen und Phasen des Projekts zu ermöglichen. Diese Schnittstellen sind erforderlich, weil komplexe Projekte, wie die Planung und Umsetzung von Automatisierungs- und Prozessleitsystemen, typischerweise mehrere Disziplinen und spezialisierte Tools und Software umfassen. Hierzu gehören unter anderem CAD-Systeme (Computer-Aided Design), CAE-Systeme (Computer-Aided Engineering), PLS-Systeme (Prozessleitsysteme) und SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition).

Schnittstellen im Engineering-Prozess sind notwendig, um eine effiziente und fehlerfreie Kommunikation zwischen unterschiedlichen Systemen und Abteilungen zu gewährleisten. Besonders die Schnittstelle zwischen CAE und PLS Engineering ist von zentraler Bedeutung, da sie den Transfer von technischen Daten und Simulationsmodellen ermöglicht, die für die Steuerung und Automatisierung von Prozessen erforderlich sind. An diesen Schnittstellen müssen Datenkompatibilität, Echtzeitfähigkeit, Sicherheit und Fehlerbehandlung sichergestellt werden, um ein funktionierendes Gesamtsystem zu gewährleisten.

ChatGPT:

Software-Werkzeuge im Engineering, insbesondere CAE-Werkzeuge (Computer-Aided Engineering), müssen eine Vielzahl von Funktionen und Anforderungen erfüllen, um den komplexen und oft interdisziplinären Anforderungen des Engineering-Prozesses gerecht zu werden. Sie dienen dazu, technische Berechnungen, Simulationen, Analysen und Modellierungen effizient und zuverlässig durchzuführen.

CAE-Werkzeuge im Engineering müssen umfassende Berechnungen und Simulationen durchführen können, die Modellierung von Systemen und Prozessen unterstützen, und die Ergebnisse effizient visualisieren und dokumentieren. Sie sollten eine hohe Benutzerfreundlichkeit, Datenkompatibilität und Integration mit anderen Systemen bieten. Für komplexe Aufgaben im Engineering, wie die Optimierung und Sensitivitätsanalyse, müssen sie leistungsstarke Algorithmen bereitstellen. Insofern ist ein CAE-Werkzeug nicht nur ein Software-Tool, sondern eine zentrale Plattform, die den gesamten Engineering-Prozess unterstützt und verbessert.

Meta-Modelle

• Ein Meta‐Modell enthält Informationen über ein Modell

• Es definiert die Elemente einer Modellierungssprache und die Beziehungen der Elemente untereinander wiederum in einem Modell

• Hierdurch wird eine Syntax erzeugt, die eine generische Struktur von Modell‐Elementen repräsentiert

Vorteile:

• Sehr flexibel, da

  • keine vordefinierten Elemente vorhanden sind, sondern beliebige Elemente „erzeugt“ werden können

  • Elementen beliebig viele Attribute (0…∞) unterschiedlicher Sichtweisen (=Gewerke) zugeordnet werden können

• Struktur der Anlage kann beliebig gewählt und beliebig tief gegliedert werden

Nachteile:

• Kaum semantische Informationen enthalten, die einem konkreten Objekt eine Bedeutung zuweisen (nur auf Basis des Meta‐Modells)

• Höherer Aufwand zur Erstellung einer Möglichkeit zur semantischen Interpretation der Modellinhalte

Beachte:

• „klassische“ Modelle basieren auch auf einem Meta‐Modell, diese sind aber häufig herstellerspezifisch und damit nicht offengelegt

Die InterfaceClassLib definiert standardisierte Schnittstellen zwischen Komponenten.

• Zweck: Sie beschreibt, wie verschiedene Systeme oder Objekte miteinander interagieren können. (Produktfluss, Energiefluss, Informationsfluss, Kraftfluss)

• Funktion:

  • Definiert Eingabe- und Ausgabeparameter, Kommunikationskanäle und andere Verbindungsdetails.

  • Unterstützt Interoperabilität zwischen Systemen.

• Beispiel: Produktfluss vor und nach einer Pumpe

Sobald in der InstanceHierachy werden Rollen, Attribunte,… konkretisiert und projektabhängig

• Repräsentiert die Struktur und Topologie der Anlage

• Projektabhängig

• Herstellunabhängig, wenn noch kein Hersteller ausgewählt ist

Beispiel: Modellierung einer Produktionsanlage mit CAEX

Produktionsanlage besteht aus den folgenden Hauptkomponenten:

• Förderband (zur Materialbewegung)

• Füllmaschine (zur Befüllung von Behältern)

• Sensoren (zur Überwachung von Temperatur und Füllstand)

• Aktuatoren (zur Steuerung der Maschinen)

• Steuerungseinheit (zur Automatisierung der gesamten Linie)

  
  

Die Produktionsanlage wurde unter Berücksichtigung aller fünf Säulen von CAEX modelliert:

1. Kinematik: Abbildung der Bewegung des Förderbands und der Füllmaschine.

2. Topologie: Darstellung der physischen und funktionalen Verbindungen zwischen den Geräten.

3. Funktionalität: Beschreibung der spezifischen Aufgaben der einzelnen Maschinen und Geräte (Förderband, Füllmaschine, Sensoren).

4. Daten: Erfassung der Messwerte von Sensoren und Steuerdaten der Aktuatoren.

5. Steuerung: Automatisierung der gesamten Anlage durch eine zentrale Steuerungseinheit.

Die RoleClassLib definiert Rollen, die in einem System verwendet werden können.

• Zweck: Rollen beschreiben die Funktion oder Bedeutung eines Objekts in einem bestimmten Kontext.

• Vorteil: Trennung von Struktur und Funktion, da dieselbe Komponente unterschiedliche Rollen in verschiedenen Szenarien einnehmen kann.

• Beispiel: Pumpe, Tank, Ventil, Rohrleitung

• solange in Rollenbibliothek -> projektunabhängig

Die AttributeTypeLib ist eine Bibliothek zur Definition von Attributtypen, die in CAEX-Modellen verwendet werden können.

• Zweck: Bilden Eigenschaften sowohl von Klassen als auch von Instanzen ab, z. B. Volumen, Höhe, Durchmesser, Länge

• Vorteil: Es sorgt für Standardisierung und Wiederverwendbarkeit, indem alle möglichen Attribute und deren Eigenschaften an zentraler Stelle definiert werden.

• solange in Attributs-Bibliothek -> projektunabhängig

CAEX: Computer-Aided Engineering eXchange

• CAEX basiert auf 5 „Säulen“

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

  • 1 Instanz-Hierarchie

Die fünf Säulen von CAEX arbeiten zusammen, um ein flexibles und standardisiertes Modell für die Beschreibung komplexer Systeme zu schaffen:

• AttributeTypeLib: Standardisiert die Definition von Attributen.

• Instance Hierarchy: Beschreibt die konkrete Struktur des Systems.

• SystemUnitClass: Definiert generische Systembausteine.

• RoleClassLib: Beschreibt kontextabhängige Rollen.

• InterfaceClassLib: Standardisiert die Schnittstellen für Interaktionen.

Die SystemUnitClass definiert die generischen Typen von Systemeinheiten oder Komponenten.

• Zweck: Sie bietet eine Vorlage oder Blaupause für Instanzen in der Instance Hierarchy.

• können abstrakt oder konkret Anlageobjekte enthalten

• Rollen werden durch Anlageobjekte aus der SystemUnit aufgefüllt

Instance Hierarchy:

Ein Anlagenmodell ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Darstellung der physischen Struktur und der grundlegenden Funktionsweise einer Anlage. Es liefert wertvolle Informationen über die Komponenten und deren Verbindungen. Dennoch fehlen ihm wichtige Informationen, die für eine umfassende Prozessbetrachtung erforderlich sind, wie beispielsweise dynamisches Verhalten, Störungen, Betriebsmodi, Energieverbrauch, Wirtschaftlichkeitsaspekte und menschliche Interaktionen. Diese Informationen werden häufig durch Prozessleitsysteme (PLS), Simulationssoftware oder Betriebsprotokolle bereitgestellt, die eine vollständige Abbildung des Prozesses ermöglichen.

Die Rezeptfahrweise ist ein Konzept in der Prozessautomation, bei dem der Ablauf eines Produktionsprozesses durch vordefinierte Rezepturen gesteuert wird. Diese Rezepturen sind eine Sammlung von Parametern und Einstellungen, die den Betrieb von Maschinen und Anlagen entsprechend den Anforderungen eines bestimmten Produkts oder einer Produktionsphase festlegen.

Ein Rezept enthält typischerweise:

• Prozessparameter wie Temperatur, Druck, Geschwindigkeit oder Füllstand

• Einstellungen der Maschinenkomponenten wie Pumpen, Ventile, Motoren

• Zeitvorgaben für die einzelnen Prozessschritte

Das Rezept wird in der Regel vom Bediener oder automatisch über ein Prozessleitsystem (PLS) ausgewählt und gestartet, was eine effiziente und reproduzierbare Produktion ermöglicht. Die Rezeptfahrweise wird in vielen Bereichen eingesetzt, in denen eine Vielzahl von verschiedenen Produkten mit unterschiedlichen Anforderungen produziert wird.

Die Rezeptfahrweise bietet viele Vorteile in Bezug auf Flexibilität, Reproduzierbarkeit und Benutzerfreundlichkeit, da sie es ermöglicht, Produktionsprozesse je nach Bedarf anzupassen, ohne das SPS-Programm zu ändern. Sie erfordert jedoch eine sorgfältige Verwaltung der Rezeptdaten und eine zuverlässige Implementierung in der Steuerung. In der Praxis ist sie in vielen Industrien die bevorzugte Methode, insbesondere in Bereichen mit variierenden Produkten und Produktionsbedingungen, wie in der Lebensmittel- oder Chemieindustrie. Die Alternative, die Festverdrahtung der Parameter, ist weniger flexibel und führt häufig zu höheren Wartungskosten und Qualitätsproblemen.

Unterschiede zwischen abstrakten und konkreten Rezepten 

Warum gibt es abstrakte und konkrete Rezepte?

Es gibt abstrakte und konkrete Rezepte, weil unterschiedliche Phasen des Produktionsprozesses unterschiedliche Anforderungen an die Detaillierung der Anweisungen stellen:

1. Abstrakte Rezepte sind oft zu Beginn eines Projekts oder bei der Entwicklung neuer Produkte oder Prozesse nützlich. Sie bieten eine flexible und allgemeine Grundlage, auf der dann spezifische Details für die Implementierung festgelegt werden können.

1. Konkrete Rezepte hingegen sind notwendig, wenn es darum geht, den Prozess in der täglichen Produktion genau zu steuern und zu überwachen. Sie stellen sicher, dass die genauen Anforderungen für die Produktion eines Produkts gemäß den Qualitätsstandards erfüllt werden.

Eine Mehrprodukt-Mehrstrang-Anlage ist eine Produktionsanlage, die in der Lage ist, mehrere unterschiedliche Produkte gleichzeitig oder nacheinander auf verschiedenen Produktionssträngen zu erzeugen.

Merkmale einer Mehrprodukt-Mehrstrang-Anlage:

1.      Mehrere Produkte: Die Anlage kann verschiedene Produkte mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anforderungen herstellen. (verschiedene Rezepturen)

2.      Mehrere Stränge: Die Produktion erfolgt auf mehreren parallel arbeitenden Strängen, die gleichzeitig oder nacheinander laufen können. Jeder Strang kann unabhängig von den anderen betrieben werden.

3.      Flexibilität: Die Stränge können für unterschiedliche Produktionen genutzt werden.

Vorteile einer Mehrprodukt-Mehrstrang-Anlage:

• Höhere Flexibilität

• Effizienzsteigerung

• Reduzierung von Rüstzeiten

• Optimierung der Ressourcennutzung

• Kostenersparnis

• Skalierbarkeit

• Bessere Reaktionsfähigkeit auf Marktänderungen

Beispiel: Lebensmittelproduktion Fertiggerichte

Die VDI/VDE-Richtlinie 3682 „Formalisierte Prozessbeschreibungen“ zeigt einen Weg auf, mit einfachen Mitteln, d.h. wenigen Symbolen und klaren Regeln, den Informationshaushalt von Prozessen besser zu beherrschen.

Anhand des nachfolgend vorgestellten Ablaufmodells wird dargestellt, wie im Wechselspiel von prozess- und informationsorientiertem Vorgehen eine leicht kommunizierbare, formalisierte Beschreibung von Prozessen entsteht.

Ja, mit der Formalisierte Prozessbeschreibung (FPB) nach VDI 3682 können auch parallele und/oder alternative Abläufe dargestellt werden. Dies ist besonders nützlich, wenn komplexe Prozesse abgebildet werden sollen, bei denen mehrere Prozesse gleichzeitig oder unter bestimmten Bedingungen ablaufen können.

1. Parallele Abläufe: Diese werden durch Verzweigungspunkte und Parallelverbindungen abgebildet, um zu zeigen, dass mehrere Schritte gleichzeitig ablaufen können.

2. Alternative Abläufe: Diese werden durch Entscheidungspunkte dargestellt, die den Ablauf auf der Grundlage von Bedingungen in verschiedene Richtungen verzweigen lassen.

Um den Wert einer Produktionsanlage zu erhöhen, sind mehrere Strategien erforderlich, die auf Effizienzsteigerung, Kostenreduktion, Qualitätsverbesserung und Lebenszyklusmanagement abzielen. Plant Asset Management Systeme (PAMS) spielen dabei eine zentrale Rolle, indem sie eine effiziente Wartungsplanung, Zustandsüberwachung, Datenanalyse und Lebenszyklusverwaltung ermöglichen. Mit diesen Systemen können Unternehmen die Verfügbarkeit und Leistung ihrer Anlagen maximieren, Stillstandszeiten reduzieren und die Betriebskosten senken, was letztlich zu einer höheren Rentabilität und Wettbewerbsfähigkeit führt.

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile der Instandhaltungsstrategien: 

Die Wahl der richtigen Instandhaltungsstrategie hängt stark von der Art der Anlage, den finanziellen Ressourcen, der gewünschten Verfügbarkeit der Anlage und den vorhandenen Technologien ab. In vielen Fällen wird eine Kombination verschiedener Instandhaltungsstrategien verwendet, um die Vorteile jeder Strategie optimal zu nutzen und gleichzeitig ihre Nachteile zu minimieren.

Eine modulare Anlage ist eine Produktions- oder Fertigungsanlage, die aus eigenständigen, vorgefertigten Modulen besteht, die je nach Bedarf miteinander kombiniert, erweitert oder angepasst werden können. Die Module sind in der Regel standardisiert und so konzipiert, dass sie mit anderen Modulen problemlos zusammenarbeiten. Diese Module umfassen typischerweise verschiedene Funktionen wie Prozesssteuerung, Mechanik, Elektrik, Software und andere Systeme, die für den Betrieb der Anlage notwendig sind.

1.      Standardisierte Module

2.      Flexibilität und Skalierbarkeit

3.      Vorfertigung der Module

4.      Systemintegration

5.      Automatisierung und Steuerung

Modulare Anlagen bieten eine hohe Flexibilität, Skalierbarkeit und Kostenersparnis und sind besonders vorteilhaft, wenn es darum geht, schnell auf Änderungen in der Produktion oder dem Markt zu reagieren. Sie ermöglichen eine schnelle Inbetriebnahme, eine einfache Wartung und eine gezielte Erweiterung der Produktionskapazitäten. Diese Vorteile machen sie zu einer beliebten Wahl für Unternehmen, die eine hohe Anpassungsfähigkeit und Effizienz bei der Produktion anstreben.