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Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik
CAE in der Prozessautomatisierung
Detail Engineering in der Prozesstechnik
Dipl.-Ing. Markus Graube
SS 2014, 22.04.2014
Professur für Prozessleittechnik
Übersicht
•R&I-Fließbild (kurze Wiederholung)
•EMSR-Anforderungen
Grafische Symbole und
Kennbuchstaben nach DIN 19227-1
Erweiterung durch IEC 62424
•PLT Funktionen
•Stellenfunktionspläne
•Software Konfiguration
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 2
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 3
Information im R&I-Schema
Grundinformation
• Funktion, Art und ID (z.B. Referenzkennzeichen) der Apparate und Maschinen
• kennzeichnende Größen von Apparaten und Maschinen
• Nennweiten, Druckstufen, Rohrklassen und Ausführungen von Rohrleitungen
• Meß-, Regel- und Steuerfunktionen und deren Kennzeichnung
Zusatzinformation
• Gerätearten wichtiger Meß-, Regel-und Steuerfunktionen
• wesentliche Werkstoffe von Apparate und Maschinen
• Referenzkennzeichnung von Armaturen
• Namen von Anlagenteilen
• Höhenlage von Apparaten u. Maschinen
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 4
Aufgabe des R&I-Schema
• detaillierte Darstellung der konkreten technischen Realisierung eines Verfahrens bzw. einer verfahrenstechnischen Anlage mit Hilfe von graphischen Symbolen und Linien
technischer Prozess technisches System
(Verfahren, Funktion) (Geräte, Instrumentierung)
• Verdeutlichung aller geräte- und informationstechnischen Zusammenhänge, die für eine praktische Abwicklung notwendig sind
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 5
Übersicht
• R&I-Fließbild (kurze Wiederholung)
• EMSR-Anforderungen
Grafische Symbole
Kennbuchstaben nach DIN 19227-1
Erweiterung durch IEC 62424
• PLT Funktionen
• Stellenfunktionspläne
• Software Konfiguration
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 6
Überblick Graphische Symbole
• Aktuell (seit 01/2010):
IEC DIN EN 62424 Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik - Fließbilder und Datenaustausch zwischen EDV-Werkzeugen zur Fließbilderstellung und CAE-Systemen
• Bisher:
DIN 19227-1 Grafische Symbole und Kennbuchstabenfür die Prozessleittechnik – Darstellung und Aufgaben
Gültigkeit 1993 – 2010 (Übergangsfrist bis 7/2012)
DIN V 44366 Festlegung für die Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik in Fließbildern und für den Datenaustausch zwischen EDVWerkzeugen zur FließbildErstellung und CAESystem
2004 – 2010 (Übergangsfrist bis 7/2012)
• während Übergangsfrist waren alle drei gültig und sind immer noch weit verbreitet
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 7
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 8
DIN 19227 - Grafische Symbole und Kennbuchstaben für die Prozessleittechnik
•Zweck:
Aufgabenbezogen Darstellung der PLT auf verfahrenstechnischen Fließbildern
Beschränkung auf prozessbezogene EMSR-Technik
keine Detaildarstellung der EMSR-Funktionen intern und untereinander
Keine Darstellung von Verdrahtungsdetails
•Anwendungsbereich
Verfahrenstechnische Anlagen (Chemie, Kraftwerk, Nahrungsmittel, Wasser, …)
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 9
Grafische Symbole
• Darstellung der EMSR-Aufgabe durch EMSR-Stellen-Symbol (EMSR-SS) durch Rund bzw. Lang-Rund („PLT-Ei“)
Allgemein
Prozessleitsystem
Prozessrechner
• Kennzeichnung des Ausgabe- und Bedienortes
Vor Ort - kein Querstrich
Leitwarte - ein Querstrich
Örtlicher Leitstand - Doppelquerstrich
(19227-1)
Textfelder am EMSR-SS
• 1 EMSR-Stellen-Funktion
Kennbuchstaben
• 2.1 und 2.2 EMSR-Stellen-Kennzeichnung
Identifikation
• 3.1 und 3.2 weitere Kennzeichnungen
Z.B. Ort, Stelle, etc.
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 10
(19227-1)
Darstellung von Messort und Stellgerätefunktion
• Messort wird durch Bezugslinie mit EMSR-SS verbunden (0.25 mm, durchgezogen)
• Messort kann durch Kreis (d=2mm) hervorgehoben werden
• Stellgerätefunktion kann durch zusätzlichen Kreis dargestellt werden
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 11
(19227-1)
Weitere Regeln für die Darstellung
• Erfüllung einer Funktion durch Mehrfacherfassung
mehrere EMSR-SS
• Mehrere Ausgabe- und Bedienorte
mehrere EMSR-SS
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(19227-1)
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 13
Kennbuchstaben
• Buchstabensequenz, eingeteilt in zwei Gruppen
Gruppe 1: Erstbuchstabe und ggf. Ergänzungsbuchstabe
Messgröße - Physikalische Größe
Gruppe 2: Folgebuchstaben
Verarbeitung
• Achtung: Kein Trennzeichen zwischen den Gruppen
Gruppenzugehörigkeit muss aus Kontext erschlossen werden
Geht nur mit „Geheim“-Wissen über Konstruktion, Beispiel Telefonnummern: 004935146339614, 03031472007,…
Gruppe 1 – Messgröße - Physikalische Größe
Erstbuchstabe• D – Dichte• E – Elektrische Größe• F – Durchfluss, Durchsatz• G – Amplitude, Stellung, Länge, Dehnung,
Abstand• H – Handeingabe, Handeingriff• K – Zeit• L – Stand• M – Feuchte• P – Druck• Q – Qualität, Stoffeigenschaft, Analyse• R – Strahlungsgröße• S – Geschwindigkeit, Drehzahl, Frequenz• T – Temperatur• U – Zusammengesetzt• V – Viskosität• W – Gewichtskraft, Masse• N,X,Y – sonstige, frei Verfügbar
Ergänzungsbuchstabe
• D – Differenz
• F – Verhältnis
• J – Messstellenabfrage
• Q – Integral, Summe
• Buchstaben, die der Kategorie Ergänzungsbuchstabe zugeordnet sind, dürfen nicht in Gruppe 2 – Folgebuchstaben verwendet werden
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 14
Gruppe 2 – Folgebuchstaben - Verarbeitung
• A Alarm
• C Selbsttätige Regelung
• E Aufnehmerfunktion
• H,+ Oberer Grenzwert
• I Anzeige
• L,- Unterer Grenzwert
• O Sichtzeichen, Ja/Nein-Anzeige (ohne Störung)
• R Registrierung
• S Schaltung, Ablaufsteuerung, Verknüpfungssteuerung
• T Messumformer-Funktion
• U zusammengefasste Antriebsfunktionen
• V Stellgeräte-Funktion
• Y Rechenfunktion
• Z Noteingriff, Schutz durch Auslösung, Schutzeinrichtung, sicherheitsrelevante Messung
• K,M frei verfügbar
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Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 16
Grenzwerte und Schutzeinrichtungen
• Oberer (H,+) und unterer Grenzwert (L,-) werden den Folgebuchstaben A,O,S,Z einzeln oder gemeinsam nachgestellt
• H,+,L,- dürfen auch zur Kennzeichnung der Endstellungen offen/geschlossen bzw. Schaltzustände Ein/Aus verwendet werden
• Sensoren und Aktoren in Schutzeinrichtungen ohne Schaltfunktion sind durch Z in Klammern zu kennzeichnen
Stellgeräte
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• Einwirkung auf Strecke
(19227)
Beispiele
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 18
LIAL
PI
305
306
PDI707
Behälter
Druckmessung mit Anzeige in Prozeßleitwarte
EMSR-Stelle 2
Füllstandsmessung mit Anzeige und
Alarmierung in der Prozeßleitwarte
Rohrleitungssystem
Differenzdruck-
messung mit
Anzeige vor Ort
Legende: P - Druck (Erstbuchstabe)
L - Füllstand (Erstbuchst.)
D - Differenz (Ergänzungsbuchst.)
I - Anzeige (1. Folgebuchst.)
A - Alarmierung / Störungsmeldung (2. Folgebuchst.)
L - unt. Grenzwert (3. Folgebuchst.)
EMSR-Stelle 1
EMSR-Stelle 3
Beispiele
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 19
Legende: F - Durchfluß (Erstbuchst.)
I - Anzeige (1. Folgebuchst.)
C - Regelung (2. Folgebuchst.)
Behälter
Stellsignal y
Pumpe
EMSR-Stelle
Meßsignal (Regelgröße x)
FIC
315
Durchflußregelung in der Prozeßleitwarte
(zum Verbraucher)
Beispiele
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 20
Legende b): L - Füllstand (Erstbuchst.)
I - Anzeige (1. Folgebuchst.)
C - Regelung (2. Folgebuchst.)
LIC320
Zufluß
Abfluß
(zum Verbraucher)
EMSR - Stelle Füllstandsregelung in der Prozeßleitwarte
Stellsignal y
Behälter
Meßsignal (Regelgröße x)
Pumpe
Beispiele
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 21
Legende: L - Füllstand (Erstbuchst.)
I - Anzeige (1. Folgebuchstabe)
S - binäre Steuerung / Überwachung
O - Anzeige für oberen (+) / unteren (-) Grenzwert
LIC
320
LSO ±
322
Zufluß
Abfluß
(zum Verbraucher)
EMSR - Stelle 2 binäre Steuerung mit oberer / unterer Grenzwert-
EMSR - Stelle 1 Füllstandsregelung in der Prozeßleitwarte
überwachung in der Prozeßleitwarte)
Regel-ventil
Auf-/Zu-ventil
Übung
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 22(19227)
Übung
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 23(19227)
ISA 5.1
• Amerikanischer Standard für Instrumentensymbolik und –Kennzeichnung
• gleicher Zweck wie DIN 19227-1, aber:
leicht abweichende Symboldarstellung und detailliertere Liste der Kennbuchstaben (inkl. typische Kombinationen)
Trennung Geräte/Funktion konsequent
Erweiterung durch Darstellung der internen Funktion von EMSR-Funktionen
detaillierte Definition der möglichen Linienarten
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 24(ISA 5.1)
ISA 5.1
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 25(ISA 5.1)
ISA 5.1
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 26(ISA 5.1)
ISA 5.1
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 27(ISA 5.1)
ISA 5.1 - Beispiele
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 28
ISA 5.1 DIN 19227-1
(ISA 5.1)
ISA 5.1 - Beispiele
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 29(ISA 5.1)
IEC DIN EN 62424
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 30
(EN 62424)
Übersicht
• R&I-Fließbild (kurze Wiederholung)
• EMSR-Anforderungen
Grafische Symbole und
Kennbuchstaben nach DIN 19227-1
Erweiterung durch IEC 62424
• PLT Funktionen
• Stellenfunktionspläne
• Software Konfiguration
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 31
Einführung PLT-Funktionen
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 32
• NA35 - Abwicklung von PLT-Projekten
Einführung PLT-Funktionen
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 33
• Diese Vorlesung
• Nächste Vorlesung
PLT Funktionen
• Input: Anlagenkonzept
z.B. Batchanlage der Professur
• Beschreibung der benötigten Wege, Aktoren und Sensoren vorhanden als R&I-Fließbild
• PLT-Funktionen festlegen
Erarbeiten aller PLT-relevanter Angaben in den R&I-Fließbildern
z.B. Auf/Zu-Ventil Abfluss Edukttank B001
Hinzufügen von Messfunktion/Stellfunktion/Alarm
z.B. Stellfunktion (öffnen) und Messfunktion (offen/geschlossen)
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 34
PLT Funktionen
• PLT-Funktionen festlegen
Sicherheitsgespräch (Stufe 2) führen
Z.B. Verriegelung des Auf/Zu-Ventils am Abfluss bei zu niedrigem Füllstand im Edukttank B001
Z.B. Verriegelung des Auf/Zu-Ventils am Zufluss bei zu hohem Füllstand im Edukttank B001
Festlegen und Klassifizieren sicherheitsrelevanter PLT-Stellen
Verriegelung Abfluss -> Sicherheitsrelevanz niedrig
Verriegelung Zufluss -> Sicherheitsrelevanz hoch
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 35
PLT Funktionen
• PLT-Funktionen festlegen
Funktionspläne erstellen
Z.B. Temperaturregelung
Erarbeiten der Aufgaben des PLS
Z.B. Alarmierung bei zu hoher Temperatur
Projektspezifische Standards (Typicals) erarbeiten
Z.B. Pumpen und Rührer als MOTOR
CAE-Werkzeuge zur Unterstützung der Planung und Dokumentation
„Kaum“ Papiervorlagen sondern z.B. COMOS
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 36
PLT Funktionen
• Output:
RI-Fließbilder mit PLT-relevanter Vollständigkeit
Endgültiges Lastenheft/Pflichtenheft für
Regelung & Steuerung
Verriegelungen
Bedienung
Leittechnik
Funktionspläne
Typicals
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 37
PLT Funktionen
• Regelung und Steuerung
• Meist SISO@VT, d. h. Sensor – PLT-Funktion – Aktor
• Wird von CAE-Werkzeugen unterstützt
• Verriegelungen
• Meist ein Netzwerk von Bedingungen
• Bei geschickter Modularisierung bzw. hierarchischem Aufbau Beschränkung auf eine Teilanlage
• Planungsinstrument: Verriegelungsmatrix
Wird in CAE-Werkzeugen noch nicht ausreichend unterstützt warum?-semiformale-Modelle
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 38
PLT Funktionen
Verrieglungsmatrix
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 39
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Füllstand Edukttank B001 niedrig A x x
Füllstand Reaktor R001 hoch B x x
Füllstand Reaktor R002 hoch C x x
A || B || C D x
PLT Funktionen
Funktionspläne
Der Funktionsplan ist eine PLT-stellenübergreifende Beschreibung einer Steuerungsaufgabe mit grafischen Symbolen unabhängig von der Realisierung nach DIN 40719 Teil 6
-> seit 2002 ersetzt durch DIN EN 60848.
CAE-Werkzeuge
SFCedit, FluidSIM, WinErs, OFT2, LogiDoc
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 40
PLT Funktionen
Bedienung
Prozessbedienbilder als wichtige Schnittstelle zwischen Mensch (Bediener/Operator) und verfahrenstechnischem Prozess
Hohe Qualitätsanforderungen
Visualisierung ähnlich dem R&I-Fließbild
Leittechnik
Alarme
Warnung vor kritischen Zuständen
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 41
Übersicht
• R&I-Fließbild (kurze Wiederholung)
• EMSR-Anforderungen
Grafische Symbole und
Kennbuchstaben nach DIN 19227-1
Erweiterung durch IEC 62424
• PLT Funktionen
• Stellenfunktionspläne
• Software Konfiguration
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 42
Stellenfunktionspläne
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 43
(NA35)
Stellenfunktionspläne
• Ziele beim Einsatz von Typicals
Wiederverwendung
Zeitreduktion
Qualitätsverbesserung
Reduzierung der Variantenvielfalt
Beschleunigte Genehmigung der Planungsvorgänge und –dokumente durch Kunden
schnellerer Test und Simulation der Planungsergebnisse
„Automatisierung der Automatisierung“
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 44
Stellenfunktionspläne
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 45
(ISA95)
Stellenfunktionspläne
• Einzelsteuerfunktion (ESF)
Werkzeug: PCS 7,Comos Automation Interface
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 46
Übersicht
• R&I-Fließbild (kurze Wiederholung)
• EMSR-Anforderungen
Grafische Symbole und
Kennbuchstaben nach DIN 19227-1
Erweiterung durch IEC 62424
• PLT Funktionen
• Stellenfunktionspläne
• Software Konfiguration
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 47
Software Konfiguration
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 48(NA 35)
Software Konfiguration
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 49
• Funktionbausteinsprache (FBS)
(Siemens)
Software Konfiguration
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 50
• Continious Function Chart (CFC)
Software Konfiguration
• CFC - Continous Function Chart
Grafischer Editor
Bausteine platzieren, parametrieren und verschalten
Nach technologischen Aspekten strukturierte Pläne
Plan in Plan (hierarchische Pläne)
Standardisierbar und wiederverwendbar
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 51
Software Konfiguration
• SFC
Sequential Function Chart (SFC)
Siemens spezifisch
IEC 61131 -> AS
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 52
Software Konfiguration
• SFC
Graphische Projektierung und Inbetriebnahme von Ablaufsteuerungen
Zustands- und ereignisgesteuerte Prozessführung (Rezepte)
Steuert mit CFC erstellte Funktionen selektiv
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 53
(Siemens)
Software Konfiguration
• HMI
Alarmfunktionen werden automatisch erzeugt
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 54
Software Konfiguration
• HMI
Bedienbilder für Einzelsteuerfunktionen ebenfalls
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 55
Software Konfiguration• HMI
In Entwicklung ist die automatische Generierung einer Visualisierung aus bereits vorhandenen CAE-Daten z. B. R&I-Fließbild -> Vorlesung
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 56
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Literatur
• Namur NA35: Abwicklung von PLT-Projekten (2003).
• Strohrmann, G.: Anlagensicherung mit Mitteln der MSR-Technik (1983).
• DIN EN 60848: GRAFCET, Spezifikationssprache für Funktionspläne der Ablaufsteuerung (2002).
• DIN EN 61512-1 - Chargenorientierte Fahrweise Teil 1: Modelle und Terminologie (2000).
• ISA 95.00.03 - Enterprise - Control System Integration Part 3: Activity Models of Manufacturing Operations Management (2005).
• Siemens: Prozessleitsystem PCS 7 – CFC für SIMATIC S7 (2009).
• Siemens: Prozessleitsystem PCS 7 – SFC für SIMATIC S7 (2009).
• DIN 19227-1 Grafische Symbole und Kennbuchstabenfür die Prozessleittechnik – Darstellung und Aufgaben
• DIN V 44366 Festlegung für die Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik in Fließbildern und für den Datenaustausch zwischen EDVWerkzeugen zur FließbildErstellung und CAESystem (Vorlesung 10 - CAEX)
• EN 62424 Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik - Fließbilder und Datenaustausch zwischen EDV-Werkzeugen zur Fließbilderstellung und CAE-Systemen
• ISA-5.1-1984 (R1992) Instrumentation Symbols and Identification
Urbas/Graube © 2014 CAE@PA Folie 57