Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.1 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Vorlesung Prozessautomatisierung
Grundlagen für die ProzessautomatisierungGrundlagen für die ProzessautomatisierungFliessbilder, R&I-Schema in der VFTFliessbilder, R&I-Schema in der VFT
28. Oktober 2003
Hochschule für Technik und Wirtschaft des SaarlandesFachbereich Elektrotechnik
Goebenstr. 4066117 Saarbrücken
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.2 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Themen Vorlesung PATT (1)
22.10.2003 Einführungsvorlesung29.10.2003 Beschreibungen, Hilfsmittel, Dokumentationen für
AutomatisierungsprojekteFließbilder, R&I-Schemen, Normen, Symbole der Pneu-matik, Verfahrenstechnik, etc., Übungen
05.11.2003 Projektabwicklung & -tätigkeitenProjektphasen, Tätigkeiten, Vorgehensweise, KostenTerminplanung, Ablage, Layout, Auftragsabwicklung
12.11.2003 & SPS-/PLC-Systeme19.11.2003 Aufbau, Funktionsweise, Arbeitsweise, Begriffe,
Digital- und Analogwertverarbeitung, SensoranschlussAufbauarchitektur (zentral, dezentral), Visualisierung,ProTool, WinCC, HMI, Zubehör, Anbieter, MarktanalyseProgrammierung IEC-61131, etc.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.3 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Themen Vorlesung PATT (2)
26.11.2003 AblaufprogrammierungKonzepte, Beschreibungen, Elemente, Transitionen,Diagramme, Modelle (entry, exit, do), Applikationen
03.12.2003 - Matlab/Simulink17.12.2003 Weihnachspause
07.01.2004 KommunikationssystemeBussysteme, Konzepte, Begriffe, ISO/OSI, CSMALeiter, Protokolle, Profile (DP,PA,FMS), ASI, CAN
14.01.2004 Optische Nachrichtentechnik (Kunz)Lichtwellenleiter, Übertragungsraten, Anschaltungen
21.01.2004 Profibus / Labor
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.4 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Themen Vorlesung PATT (2)
28.01.2004 Methoden in AutomatisierungstechnikFuzzy, Neuronale Netze, Konzepte, Beschreibungen, Applikationen, Berechnungsverfahren, Regelungen
04.02.2004 Tag der offenen Tür11.02.2004 Klausurtraining 18.02.2004 Ersatztermin
frei / Fragestunde / Sonstiges / SemesterabschlussReglereinstellung auf vorgegebenen Durchtrittsfrequenzund Phasenreserve
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.5 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Thema heute
Grundlagen für die Prozessautomatisierung :„Übertragungsverhalten, Wirkungspläne, Erstellung von Wirkungsplänenfür technische Systeme, Erstellung von Regelschemen für Regelungsauf-gaben, Anwendungsbeispiele“
Grundlagen• Grundbegriffe • Anwendungen• Beispiele• Grundlagenwissen
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.6 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Wirkungsplan / Signalflußplan
• Sinnbildliche Darstellung der Wirkungsweise von Signalen in einem System
• Darstellung in Form von Blöcken und Wirkungslinien• Die Wirkung wird in die durch die Pfeilrichtung gekenn-
zeichnete Richtung übertragen.• Grundstrukturen für Wirkungspläne
Reihen- oder KettenschaltungParallelschaltungKreisstruktur mit Gegenkopplung
• Jeder Block erhält eine eigenständige Funktionsbeschreibungim Zeit- oder Frequenzbereich
ProportionalblockIntegralblockDifferentialblock
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.7 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Verknüpfungen von Übertragungsblöcken (1)
Mögliche Verknüpfungen von Übertragungsblöcken (Systemen):• Verzweigung
• Summationselement
• Inversion
• Multiplikation
Quelle: Wendt
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.8 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Verknüpfungen von Übertragungsblöcken (2)
Mögliche Verknüpfungen von Übertragungsblöcken (Systemen):• Division
• Kettenschaltung
• Parallelschaltung
• Indirekte und direkte Gegenkopplung (Rückkopplung für Regelkreis)
Quelle: Wendt
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.9 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Wirkungspläne
Aufbau, Schaltungen und Umgang mit Wirkungsplänen ist bekannt(Systemtheorie, Regelungstechnik)
Erstellung von Wirkungsplänen für praktische Anwendungen ist ehernicht so geläufig. Es geht darum, aus einer skizzierten Anordnung überdie Funktionsweise eines Systems in Form eines Wirkungsplanes zu erkennen und für die einzelnen Komponenten die geeigneten Über-tragungselemente identifizieren zu können. Das korrekte systemtechnische Umsetzen eines Wirkprinzips in einenWirkungsplan bildet die Grundlage für das Systemverständnis (Soll-Werte, Regelgröße, Stellgröße, Stelleinrichtung) und für Optimierungvon Automatisierungsaufgaben.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.10 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Temperaturregelung im Bügel-eisen – Technische Ausführung
Quelle: Merz, Jaschek
Prinzipielle Funktionsweise eines elektrischen Bügeleisens:•Sollwerterzeugung : Sollwertschraube•Regler: Kontaktfeder (nicht stetig, 2-Punkt)•Stellglied: Nocke•Regelstrecke: Sohle•Messeinrichtung: Bimetallelement
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.11 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Temperaturregelung im Bügel-eisen - Wirkungsplan
Quelle: Merz, Jaschek
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.12 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Temperatursteuerung Heizungs-anlage – Technische Ausführung
Quelle: Merz, Jaschek
Prinzipielle Funktionsweise Ölheizung •Sollwerterzeugung : Steuergerät•Steuerteil: Steuergerät•Stellglied: Regelventil•Regelstrecke: Haus•Messeinrichtung: Thermometer
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.13 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Temperatursteuerung Heizungs- anlage - Wirkungsplan
Quelle: Merz, Jaschek
Steuergerät mit EinstellkennlinienHeiztemperatur der Heizungsvorlauf-Temperatur wird erfahrungsgemäß aufAußentemperaturwerte eingestellt.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.14 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Temperaturregelung Heizungs-anlage – Technische Ausführung
Quelle: Merz, Jaschek
Prinzipielle Funktionsweise Ölheizung •Sollwerterzeugung : Thermostat•Regler: Regler•Stellglied: Regelventil•Regelstrecke: Haus•Messeinrichtung: Thermometer
Bei der Heizungsregelung spielt die Außentemperatur keine Rolle, da nachder Rauminnentemperatur geregelteingestellt wird.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.15 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Temperaturregelung Heizungsanlage - Wirkungsplan
Quelle: Merz, Jaschek
Einstellung über Steuergerät ist nichterforderlich.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.16 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
AnwendungsaufgabenWinkelregelung Antenne
BeschreibungDie Winkellage der Antenne wird nach Sollwert W geregelt eingestellt. Der
aktuelle Wert x wird mittels Potentio-
meter in die Spannung Ux umgewandelt
und mit dem Sollwert UW verglichen.
Die verstärkte SpannungsdifferenzUe = Uw – Ux dient zur Ansteuerung
des Motors.
Gesucht ist der Wirkungsplan des Regelkreises.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.17 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
AnwendungsaufgabenWinkelregelung Antenne
Lösung:
Alle Potentiometer, Getriebe und Verstärker sind als P-wirkendeGlieder anzusetzen.
Der Antrieb (Motor) ist als PT1-Glied vereinfacht zu sehen.
Die Regelgröße x wird durch Integration der Winkelgeschwindig-keit gewonnen. Das Übertragsglied ist als I-Glied zu interpretieren.
Der Regelkreis wird rückgeführt in Gegenkopplung mit Differenzbildung der Spannungswerte.
Identifizierung der RegelkreiselementeRegel-
streckeAntenne mit Winkel x und UA als Stellgröße
Stellglied Motor mit Getriebe
Messein-richtung
Potentiometer mit Ux
Regler Leistungsverstärker
Sollwert-bildung
Potentiometer mit UW
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.18 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
AnwendungsaufgabenFeder-Dämpfungs-System
Beschreibung:Die Skizze zeigt ein mechanisches System einerRegelstrecke. Die Ein- und Ausgangsgrößen sind die Kraft F(t) und der Weg x(t).
Für das Kräftegleichgewicht gilt folgende Dgl.
Gesucht ist der Wirkungsplan der Regelstrecke!
( ) ( ) ( ) ( )mx t Bx t Cx t f t
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.19 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
AnwendungsaufgabenFeder-Dämpfungs-System
Lösung:
Identifizierung der Regelstrecke mit Ein- und AusgangsgrößenEingangsgröße ist f(t) / Ausgangsgröße x(t)
Aus dem Kräftegleichgewicht lässt sich die Dgl.Aufstellen und nach der höchsten Ableitung um-stellen
1( ) ( ) ( ) ( )
B Cx t f t x t x t
m m m
B/m
C/m
1/m
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.20 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
AnwendungsaufgabenFeder-Dämpfungs-System (2)
Beschreibung:Die Skizze zeigt ein mechanisches System einerRegelstrecke. Die Ein- und Ausgangsgrößen sind die Kraft vein(t) und der vaus(t).
Es gelten folgende Gleichungen für die einzelnenElemente der Strecke:
Gesucht ist der Wirkungsplan der Regelstrecke!
( )auseinB
ausC
F B v v
F C v dt
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.21 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
AnwendungsaufgabenFeder-Dämpfungs-System (2)
Lösung:Aus den gegeben Zusammenhängen und dem Kräftegleichgewicht kann die Dgl abgeleitet werden.Eingangsgröße vein(t) / Ausgangsgröße vaus(t).
( )auseinB
ausC
aus ausein
F B v v
F C v dt
Cv v v dt
B
C/B
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.22 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Anwendungsaufgaben Lage- regelung Magnetschwebekörper
Beschreibung:Eine Eisenkugel soll durch die Magnetkraft in einergewünschten Position gehalten werden. Die Positionder Kugel wird fotometrisch erfasst.Im stationären Zustand gilt folgende Gleichung:fm= Ki im - Kxx
Der OP stellt ein PID-Regler dar. OP und Verstär-ker arbeiten ohne Zeitverzögerung. Die Messver-stärker wirken als P-Übertragungsglieder.
Gesucht ist der Wirkungsplan der Regelstrecke!
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.23 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Anwendungsaufgaben Lage- regelung Magnetschwebekörper
Identifizierung der RegelkreiselementeRegel-
streckeKugel im Kraftfeld mit Spulen- strom als Stellgröße
Stellglied Magnetspule
Messein-richtung
Photoelement mit Photostrom If
Regler Operationsverstärker
Sollwert-bildung
Potentiometer mit UW
Beschreibung:Es gilt für die Regelstrecke (Schwebekörper) das Kraftgleichgewicht FG = FM. Im stationären Zustand gilt für die Abweichungen vom Arbeitspunkt:( )
( )
m m xI
I xm
f mx t K i K x
K Kx t i x
m m
x x xmi
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.24 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Anwendungsaufgaben Lage- regelung MagnetschwebekörperLösung Wirkungsplan:Der gesamte Wirkungsplan kann nun aus den einzelnen Systemkomponenten erstellt werden.
Regelstrecke:
Wirkungsplan:
x x xmi
x x xmi
OP Leistungs- verstärker
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.25 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Verfahrenstechnische Prozesse automatisieren
2. Thema heute:
Darstellungsmöglichkeiten von verfahrenstechnischen Pro-zessen als Grundlage für die Realisierung von Automatisie-rungslösungen für solche Prozesse
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.26 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Fließbilder – Was versteht man darunter?
Fliessbilder geben einen einfachen Überblick über die Funktion und Arbeitsweise verfahrenstechnischer Anlagen. Im Fliessbild werden die grundlegenden Stoffströme und groben anlagentechnische Einrichtungen dargestellt, wie z.B. Materialfluss, Hilfsstoffe, verfahrenstechnische Aggregate wie Erhitzer, Kühler,Trockner, Zerkleinerungsanlagen etc, erforderliche Behälter, Rohr-Leitungen, Reaktoren, Wärmetauscher, Kühler und Heizelemente, Pumpen und Kompressoren etc.)
Materialfluss: Rohstoffe, Halbzeug, Additive, Zusatzstoffe, WasserHilfsstoffe: Dampf, Gas, Öl, Luft, AbgasFühler: Temperatur, Durchfluss, Durck, DrehzahlAggregate: Wärmetauscher, Pumpe, Motor, Ventile
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.27 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Arten der Fließbilddarstellung
Verfahrensfließbild (grob) zur Übersichtsdarstellung (Phasenmodell)• Materialfluss (grob)• Einsatz-, Roh- und Hilfsstoffen (Start-, Zwischen- und Endprodukte)• Hauptprozessschritte• Darstellungsform
Kreissymbol (Produkteigenschaften)Rechtecksymbol (Prozesseigenschaften)
Verfahrensfließbild (fein) zur Detaillierung des Verfahrens („rekursiv“)• Materialfluss (detailliert) mit allen Zwischenprodukten• Prozessschritte (detailliert)• Darstellungsform
Genormte Symbole für Aggregate, MSR-Stellen, Stoffarten
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.28 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Einsatzstoffe (roh)
Stoffvorbereitung (Zuführen und Dosieren)
Zusatzstoffe (roh)
Stoffwandlung (Mischungsprozess
Zwischenprodukt(Feuchte, Dichte)
Grundfließbild / Übersichtfließbild
Phasenmodell: Beschreibung mit standardisierten Netzwerken
Vorteil: einfach / übersichtlich
Nachteil:abstrakt / nicht vollständig
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.29 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Phasenmodell
Formale Regeln für Erstellung von Phasenmodellen:• Kreissymbol für Produkt / Rechtecksymbol für Prozess• Jedes Produkt wird in einem Prozess verbraucht oder ist ein Aus-
gangsprodukt.• Produktveränderungen können nur über einen Prozess bewirkt werden.• Produkt selber besitzt keine eigene Dynamik (Fähigkeit zur Änderung
seiner Eigenschaften)• Verbindung von Teilprozessen (Prozessketten) erfolgt über die je-
weiligen Eingangs- bzw. Ausgangsprodukte.
Phasenmodell: ständiger Wechsel von Produkten und Teilprozessen
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.30 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Phasenmodell
Für die Beschreibung von Produkten und Prozessen spielen unterschied-liche Eigenschaften eine Rolle:
Prozesseigenschaften• Ist- und Sollwerte• Steuergrößen• Einstellgrößen
Produkteigenschaften• Physikalische Größen• Chemische Größen• Technologische
Eigenschaften
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.31 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Beispiel für Übersichtsbild Verfahrensfließbild
Beispieltext:Ein Einsatzstoff wird mit einem Lösungsmittelvermischt und zusammen mit einem Zusatzsatz, der über eine Mahlanlage zerkleinert wird, In einem Behälter gebracht, wo die Stoffe zu einem Mischprodukt reagieren. Anschließend wird dieses Mischprodukt mit Heizdampf er-hitzt. Abschließend wird das Lösungsmittel in einer Trennstufe abgeschieden und zurück-gewonnen. Das Endprodukt wird ebenfalls über die Trennstufe gewonnen.
Lesart:• Materialflussrichtung• Sequentielle und parallel laufende Prozess-
schritte
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.32 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Fließbilder zur Darstellung des Prozesses
Grundfließbild•Beinhaltet Produktflusslinien, Apparate, Anlagenteile(wie Phasenmodell)
Verfahrensfließbild•Weiterführende, verfahrenstechnische Information und wichtigstePLT-Stellen (Sensorik, Aktorik)
R&I-Fließbild (Rohrleitungs- und Instrumentierungsfließbild)•Detaillierfeste Form der Darstellung von PLT-Aufgaben•Grundlage zur Detailplanung•Schnittstelle zwischen Verfahrens- und Prozessleittechnik-Planung
Quelle Vogel-Heuser, Wuppertal, LFA
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.33 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
PLT-Dokumentation
PLT-(EMR) Stellen-Verzeichnis•Nimmt in geordneter und übersichtlicher Form wesentliche Betriebs-daten, Informationen aus R&I-Fliesßbild mit projektspezifischen Festlegungen auf.•PLT-Stellenbezeichnung sowie Kennbuchstaben der Funktion und eine Kurzbeschreibung der PLT-Aufgaben•Funktionale und gerätetechnische Lösung der Aufgabenstellung•Beschreibung der Nahstellen zur Apparate- und Rohrtechnik
PLT-(EMR) Stellen-Pläne•Gibt die Zusammenstellung aller zu einer PLT-Stelle gehörenden Ein-richtung wie Antriebe, Stellglieder, Signalgeber, Befehlsgeräte, ihreLage und Verbindung auf.•Er soll die Funktionselement und ihr Zusammenwirken darstellen•Er soll das Prüfen, Warten, Fehlerorten und Instandsetzen ermöglichen
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.34 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Vom Grundfließbild zur Kon-kretisierung -> Fließbild
Erläuterungen zu Fließbild:
Materialfluss: RohaldehydHilfsstoffe: Heißwasser, DampfFühler:Temperatur, Füllstand, Druck,DurchflussAggregate: Wärmetauscher, Behälter, Ventile
Quelle: Strohrmann
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.35 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Vom Fließbild zum R&I-SchemaRealisierungsgrundlage
Bild 7. Strohrmann, S.11
Quelle: Strohrmann
DestillationsprozessRegel- und Instrumentie-rungsschema
Konkrete technische Realisierung mit Angabealler Geräte und Aggre-gate. Alle hier dargeStellten Geräte finden sich 1:1 in der Anlage wieder.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.36 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Symbolik zur Fließbilderstellung verfahrenstechnischer Anlagen
Quelle: Merz, Jaschek
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.37 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Fließbilder / Anlagenbeschrei-bung: Normen und RichtlinienDIN 19226 Leittechnik; Regelungstechnik und Steuerungstechnik
Teil 1: Allgemeine GrundbegriffeTeil 2: Begriffe zum Verhalten dynamischer SystemeTeil 3: Begriffe zum Verhalten von SchaltsystemenTeil 4: Begriffe für Regelungs- und SteuerungssystemeTeil 5: Funktionelle BegriffeTeil 6: Begriffe zu Funktions- und Baueinheiten
DIN 19221 Formelzeichen der Regelungs- und Steuerungstechnik
DIN 19225 Benennung und Einteilung von Reglern
DIN 19227 Bildzeichen und Kennbuchstaben für Messen, Steuern, Regeln in der VerfahrenstechnikTeil 1: Zeichen für die funktionelle DarstellungTeil 2: Zeichen für die gerätetechnische DarstellungTeil 3: Zeichen für die funktionelle Darstellung (Ergänzung Teil 1)Teil 4: Zeichen für die funktionelle Darstellung beim Einsatz von Prozessrechnern
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.38 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Fließbilder / Anlagenbeschrei-bung: Normen und RichtlinienISO 3511 Process measurement control functions and instrumentation –
Symbolic representation-Part 1: Basic requirementsPart 2: Extension of basic requirementsPart 3: Detailed symbols for instrument insterconnection diagramsPart 4: Basic symbols for process computer, interface, and ....
DIN 19228 Bildzeichen für Messen, Steuern, Regeln
DIN 19230 Gleichstromsignal für elektrische Mess- und Regelanlagen
DIN 19231 Druckbereich für pneumatische Signalübertragung
Prozessautomatisierung
DIN 19235 Automat, Automatisierung, Begriffe
DIN 19222 E Leittechnik, Begriffe
DIN 40700 Schaltzeichen, Digitale Informationsverarbeitung
DIN 40300 Informationsverarbeitung, Begriffe
DIN 66201 E Prozessrechnersysteme, Begriffe
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.39 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Fließbilder / Anlagenbeschrei-bung: Normen und RichtlinienSonstige
DIN 28004 Bildzeichen für Rohrleitungen und Apparate
VDI/VDE 2173 Strömungstechnische Kenngrößen von Stellventilen und deren Bestimmung
VDI/VDE 2174 Mechanische Kenngrößen von Stellgeräten für strömende Stoffe und deren Bestimmung
VDI/VDE 2176 Strömungstechnische Kenngrößen von Stellklappen und deren Bestimmung (Blatt 1)
Auf die hier verwiesenen Normen und Richtlinien besteht kein AnspruchAuf Vollständigkeit und gibt nur einen Überblick über vereinbarte Symbole zur Darstellung verfahrenstechnischer Abläufe.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.40 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Beispiele für Phasenmodell, Fließbild und R&I-Schema
Zusatzstoff
Zerkleinern
Einsatzstoff Endprodukt
Lösen Reaktion Trennen
Lösungsmittel
Lösungsmittel
Quelle: PLT Uni Bochum
Grundfließbild / Phasenmodell
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.41 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Beispiele für Phasenmodell, Fließbild und R&I-Schema
Lösungsmittel700 kg/h
Zusatzstoff350 kg/h
M
P1
M
Einstazstoff800 kg/h
Lösungsmittel1000 kg/h
1 bar20°C
1 bar20°C
P2
1 bar108°C
Endprodukt1450 kg/h
K1W1
XZ1
M2M1
B1 B2Heizdampf
Tanklager
Heizdampf 3 bar
Quelle: PLT Uni Bochum
Fließbild
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.42 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Beispiele für Phasenmodell, Fließbild und R&I-Schema
M3
TRC102
V113
V114
V115
F1
B
Einsatzstoff500 kg/h
Lösungsmittel1000 kg/h
Zusatzstoff350 kg/h
Lösungsmittel700 kg/h
Endprodukt1450 kg/h
V104
V101
V201
V103
V203
V204
FRC101
FRC201
LRC111
MM3 3
V106 V107
V108
W2
XZ1
M TRC105
M3V305
V112
V304
V301
V302
V303
V116LRC106
TRC401
Heizdampf5 bar
V206
V105
Kondensat
W1
P1
K1
W3
Quelle: PLT Uni Bochum
R&I-Schema
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.43 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Einführung in die R&I-Symbolik
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.44 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Kennbuchstaben für EMSR-Technik DIN 19227, Teil 1
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.45 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Kennbuchstaben für EMSR-Technik DIN 19227, Teil 2
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.46 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Kennzeichnung einer PLT-Stelle nach DIN 19227 / ISO 3511
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.47 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Beispiel für Kennzeichnung
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.48 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
R&I-Fließbild
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.49 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Einfache MSR-Stellen
Messstelle für Temperatur mit VorortanzeigeMessstelle für Temperatur mit Anzeige auf Leitstand Messstelle für Durchfluss zur Registrierung, Regelung und Überwachung mit Alarmmeldung
MSR Durchfluß wirkt auf ein Stellglied (z.B. Ventil)(Wirkungslinie mit Pfeilrichtung)
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.50 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Einfaches Beispiel mit Interpretation
Anwendung: Pumpe fördert Flüssigkeit über Ventil in RohrleitungMSR-Stelle 5: Überwachung Speed (Drehzahl Antrieb)
6: Anzeige elektrische Größe (Strom Antrieb)7: Vorortanzeige Flüssigkeitsstrom 2: Summation und Anzeige Durchfluß Leitstand1: Anzeige, Regelung Differenzdruck über Ventil4: Handverstellung am Ventil 8: Registrierung ph-Wert Leitstand
Ventil (auf, Mittelstellung, zu)
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.51 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Anlagenfließbild
Destillationskolonne:
Trennung von Mineralöl in seine einzelnen Bestandteile
6 unabhängige RegelkreiseErkennbar durch Messgrößen(Regelgrößen) und Stellglieder
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.52 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Technische Lösung für Regelungsaufgabe
Regelgröße: DifferenzdruckStellgröße: Öffnungswinkel Regelventil
Vorgabe: Vorgabe Solldifferenzdruck (Eingabe Leitstand)Anschaltung / Verkabelung Sensor und AktorikRegelung auf SPS / Hardwareregler Ausgabewert Öffnungswinkel über Analogausgängefür Stellung
StromlaufplanKlemmenplanM+K-Liste für BauteileE/A-Liste für SPSVisualisierung (Leitstand)Infos LeitstandDatenarchivierung / Auswertung
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.53 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Beispiel Mischanlage
Erstellung eines R&I-Schemas aus Lastenheft:
„Im Behälter B1, dessen Zulauf über ein Ventil eingestellt werden kann,wird die Flüssigkeitsstandhöhe gemessen. Übersteigt die Standhöheeinen eingestellten Maximalwert (Grenzwertschalter), so wird eine Pumpe eingeschaltet, die Flüssigkeit von B1 nach B2 pumpt.Die Pumpe schaltet bei Erreichen einer Mindeststandhöhe von B1 (Grenzwertschalter) wieder ab. Vor und hinter der Pumpe befindet sichJeweils ein handbetätigter Schieber für Reparaturzwecke. Im Behälter B2 wird die Temperatur und der Druck gemessen.Bei Überschreiten eines Temperatur- oder Druckgrenzwertes wird einAlarmsignal gegeben. Der Abfluss aus B2 kann über ein Ventilgeregelt eingestellt werden ........ Alle MST sind in der LeitwarteAnzuzeigen.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.54 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Erstellen von Regelkreisen in verfahrenstechnischen Anlagen
Ausgangspunkt für den MSR-Techniker (Automatisierungstechniker) istals Basis stets das Grundfließbild einer verfahrenstechnischen Anlage.
Gemeinschaftsaufgabe der Verfahrenstechnik und Elektrotechnik:• Festlegung der Messgrößen (Ort, Funktion, Messart)
Funktion bedeutet: Anzeige im Feld, Anzeige in Warte, RegistrierungSteuernde Größen, regelnde Größen
• Festlegung von steuernden und regelnden Funktionen• Festlegung von Handbedienfunktionen• Festlegung der MSR-Symbole im Fließbild
Aus dem Fließbild entsteht mehr und mehr ein Rohrleitungs- und Instru-mentierungsschema. Im endgültigen R&I-Schema sind alle Elemente für die tatsächliche Ausführung enthalten.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.55 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
PLT-Stellen-Blatt
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.56 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Anwendungsbeispiele
Aus einem Vorratsbehälter wird ein variabler Flüssigkeitsstrom ent-nommen. Es ist eine Regeleinrichtung zu skizzieren, so dass ein definierter Behälterfüllstand aufrechterhalten wird.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.57 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Lösung
Fühler: SchwimmerkörperStellglied: SchieberRegelstrecke: BehälterRegelgröße: FüllstandshöheSollwert: Einstellung SchwimmerRegler: Gestängeeinrichtung
mit SchwimmerStörgröße: Entnahmemenge
Funktion:Über ein Hebelgestänge bewirkt ein Steigen des Schwimmers das Schließen des Schiebers. Ein Sinken öffnet den Schieber.Regelungsart: Festwertregelung
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.58 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Temperaturregelung
In einem Durchlauferhitzer wird kaltes Wasser mit Dampf erhitzt.Geben Sie eine Regelschaltung mit Fühler und Stellgliedeinrichtung für diese Aufgabenstellung an.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.59 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Lösung
Fühler: Temperatur Regler: RegelelementStellglied: RegelventilSollwert: Sollwertsteller
Messumformer
Funktion:Die Regeldifferenz steuert denRegler. Je größer e desto mehrmuss das Regelventil öffnen. Je kleiner e desto mehr muss dasRegelventil schließen.
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.60 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Druckregelung
In einem Druckbehälter soll der Gasdruck konstant gehalten werden. Entwerfen Sie eine geeignete Regelschaltung
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.61 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Lösung
Fühler: Druck Regler: RegelelementStellglied: RegelventilSollwert: Sollwertsteller
Messumformer
Funktion:Die Regeldifferenz steuert denRegler. Ist e > 0 (d.h. pist < psoll)
Dann muss das Ventil schließen(e>0, y<0). Ist e<0 dann muss dasVentil öffnen. Regelsinn beachten!
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.62 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Regelung eines Banddurchhanges
In einem Bandtransport soll die Höhe des Durchhanaes geregelt werden.Entwerfen Sie eine geeignete Regelschaltung
Oktober 2003 / Prozess-automatisierung Blatt 2.63 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Lösung
Fühler: Druck Regler: RegelelementStellglied: RegelventilSollwert: Sollwertsteller
Messumformer
Funktion:Die Regeldifferenz steuert denRegler. Ist e > 0 (d.h. pist < psoll)
Dann muss das Ventil schließen(e>0, y<0). Ist e<0 dann muss dasVentil öffnen. Regelsinn beachten!