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© Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.1 Vorlesung Prozessautomatisierung Grundlagen für die Prozessautomatisierung.

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1 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.1 Vorlesung Prozessautomatisierung Grundlagen für die Prozessautomatisierung Fliessbilder, R&I-Schema in der VFT 28. Oktober 2003 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Fachbereich Elektrotechnik Goebenstr Saarbrücken

2 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.2 Themen Vorlesung PATT (1) Einführungsvorlesung Beschreibungen, Hilfsmittel, Dokumentationen für Automatisierungsprojekte Fließbilder, R&I-Schemen, Normen, Symbole der Pneu- matik, Verfahrenstechnik, etc., Übungen Projektabwicklung & -tätigkeiten Projektphasen, Tätigkeiten, Vorgehensweise, Kosten Terminplanung, Ablage, Layout, Auftragsabwicklung &SPS-/PLC-Systeme Aufbau, Funktionsweise, Arbeitsweise, Begriffe, Digital- und Analogwertverarbeitung, Sensoranschluss Aufbauarchitektur (zentral, dezentral), Visualisierung, ProTool, WinCC, HMI, Zubehör, Anbieter, Marktanalyse Programmierung IEC-61131, etc.

3 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.3 Themen Vorlesung PATT (2) Ablaufprogrammierung Konzepte, Beschreibungen, Elemente, Transitionen, Diagramme, Modelle (entry, exit, do), Applikationen Matlab/Simulink Weihnachspause Kommunikationssysteme Bussysteme, Konzepte, Begriffe, ISO/OSI, CSMA Leiter, Protokolle, Profile (DP,PA,FMS), ASI, CAN Optische Nachrichtentechnik (Kunz) Lichtwellenleiter, Übertragungsraten, Anschaltungen Profibus / Labor

4 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.4 Themen Vorlesung PATT (2) Methoden in Automatisierungstechnik Fuzzy, Neuronale Netze, Konzepte, Beschreibungen, Applikationen, Berechnungsverfahren, Regelungen Tag der offenen Tür Klausurtraining Ersatztermin frei / Fragestunde / Sonstiges / Semesterabschluss Reglereinstellung auf vorgegebenen Durchtrittsfrequenz und Phasenreserve

5 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.5 Thema heute Grundlagen für die Prozessautomatisierung : Übertragungsverhalten, Wirkungspläne, Erstellung von Wirkungsplänen für technische Systeme, Erstellung von Regelschemen für Regelungsauf -gaben, Anwendungsbeispiele Grundlagen Grundbegriffe Anwendungen Beispiele Grundlagenwissen

6 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.6 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 Kettenschaltung Parallelschaltung Kreisstruktur mit Gegenkopplung Jeder Block erhält eine eigenständige Funktionsbeschreibung im Zeit- oder Frequenzbereich Proportionalblock Integralblock Differentialblock

7 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.7 Verknüpfungen von Übertragungsblöcken (1) Mögliche Verknüpfungen von Übertragungsblöcken (Systemen): Verzweigung Summationselement Inversion Multiplikation Quelle: Wendt

8 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.8 Verknüpfungen von Übertragungsblöcken (2) Mögliche Verknüpfungen von Übertragungsblöcken (Systemen): Division Kettenschaltung Parallelschaltung Indirekte und direkte Gegenkopplung (Rückkopplung für Regelkreis) Quelle: Wendt

9 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.9 Wirkungspläne Aufbau, Schaltungen und Umgang mit Wirkungsplänen ist bekannt (Systemtheorie, Regelungstechnik) Erstellung von Wirkungsplänen für praktische Anwendungen ist eher nicht so geläufig. Es geht darum, aus einer skizzierten Anordnung über die 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 einen Wirkungsplan bildet die Grundlage für das Systemverständnis (Soll- Werte, Regelgröße, Stellgröße, Stelleinrichtung) und für Optimierung von Automatisierungsaufgaben.

10 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.10 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

11 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.11 Temperaturregelung im Bügel- eisen - Wirkungsplan Quelle: Merz, Jaschek

12 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.12 Temperatursteuerung Heizungs- anlage – Technische Ausführung Quelle: Merz, Jaschek Prinzipielle Funktionsweise Ölheizung Sollwerterzeugung :Steuergerät Steuerteil:Steuergerät Stellglied:Regelventil Regelstrecke:Haus Messeinrichtung:Thermometer

13 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.13 Temperatursteuerung Heizungs- anlage - Wirkungsplan Quelle: Merz, Jaschek Steuergerät mit Einstellkennlinien Heiztemperatur der Heizungsvorlauf- Temperatur wird erfahrungsgemäß auf Außentemperaturwerte eingestellt.

14 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.14 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 nach der Rauminnentemperatur geregelt eingestellt wird.

15 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.15 Temperaturregelung Heizungsanlage - Wirkungsplan Quelle: Merz, Jaschek Einstellung über Steuergerät ist nicht erforderlich.

16 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.16 Anwendungsaufgaben Winkelregelung Antenne Beschreibung Die Winkellage der Antenne wird nach Sollwert W geregelt eingestellt. Der aktuelle Wert x wird mittels Potentio- meter in die Spannung U x umgewandelt und mit dem Sollwert U W verglichen. Die verstärkte Spannungsdifferenz U e = U w – U x dient zur Ansteuerung des Motors. Gesucht ist der Wirkungsplan des Regelkreises.

17 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.17 Anwendungsaufgaben Winkelregelung Antenne Lösung: Alle Potentiometer, Getriebe und Verstärker sind als P-wirkende Glieder 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 Regelkreiselemente Regel- strecke Antenne mit Winkel x und U A als Stellgröße StellgliedMotor mit Getriebe Messein- richtung Potentiometer mit U x ReglerLeistungsverstärker Sollwert- bildung Potentiometer mit U W

18 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.18 Anwendungsaufgaben Feder-Dämpfungs-System Beschreibung: Die Skizze zeigt ein mechanisches System einer Regelstrecke. 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!

19 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.19 Anwendungsaufgaben Feder-Dämpfungs-System Lösung: Identifizierung der Regelstrecke mit Ein- und Ausgangsgrößen Eingangsgröße ist f(t) / Ausgangsgröße x(t) Aus dem Kräftegleichgewicht lässt sich die Dgl. Aufstellen und nach der höchsten Ableitung um- stellen B/m C/m 1/m

20 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.20 Anwendungsaufgaben Feder-Dämpfungs-System (2) Beschreibung: Die Skizze zeigt ein mechanisches System einer Regelstrecke. Die Ein- und Ausgangsgrößen sind die Kraft v ein (t) und der v aus (t). Es gelten folgende Gleichungen für die einzelnen Elemente der Strecke: Gesucht ist der Wirkungsplan der Regelstrecke!

21 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.21 Anwendungsaufgaben Feder-Dämpfungs-System (2) Lösung: Aus den gegeben Zusammenhängen und dem Kräftegleichgewicht kann die Dgl abgeleitet werden. Eingangsgröße v ein (t) / Ausgangsgröße v aus (t). C/B

22 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.22 Anwendungsaufgaben Lage- regelung Magnetschwebekörper Beschreibung: Eine Eisenkugel soll durch die Magnetkraft in einer gewünschten Position gehalten werden. Die Position der Kugel wird fotometrisch erfasst. Im stationären Zustand gilt folgende Gleichung: f m = K i i m - K x x 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!

23 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.23 Anwendungsaufgaben Lage- regelung Magnetschwebekörper Identifizierung der Regelkreiselemente Regel- strecke Kugel im Kraftfeld mit Spulen- strom als Stellgröße StellgliedMagnetspule Messein- richtung Photoelement mit Photostrom If ReglerOperationsverstärker Sollwert- bildung Potentiometer mit U W Beschreibung: Es gilt für die Regelstrecke (Schwebekörper) das Kraftgleichgewicht F G = F M. Im stationären Zustand gilt für die Abweichungen vom Arbeitspunkt:

24 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.24 Anwendungsaufgaben Lage- regelung Magnetschwebekörper Lösung Wirkungsplan: Der gesamte Wirkungsplan kann nun aus den einzelnen Systemkomponenten erstellt werden. Regelstrecke: Wirkungsplan: OP Leistungs- verstärker

25 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.25 Verfahrenstechnische Prozesse automatisieren 2. Thema heute: Darstellungsmöglichkeiten von verfahrenstechnischen Pro- zessen als Grundlage für die Realisierung von Automatisie- rungslösungen für solche Prozesse

26 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.26 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, Wasser Hilfsstoffe:Dampf, Gas, Öl, Luft, Abgas Fühler:Temperatur, Durchfluss, Durck, Drehzahl Aggregate:Wärmetauscher, Pumpe, Motor, Ventile

27 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.27 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

28 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.28 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

29 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.29 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

30 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.30 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

31 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.31 Beispiel für Übersichtsbild Verfahrensfließbild Beispieltext: Ein Einsatzstoff wird mit einem Lösungsmittel vermischt 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

32 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.32 Fließbilder zur Darstellung des Prozesses Grundfließbild Beinhaltet Produktflusslinien, Apparate, Anlagenteile (wie Phasenmodell) Verfahrensfließbild Weiterführende, verfahrenstechnische Information und wichtigste PLT-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

33 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.33 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, ihre Lage und Verbindung auf. Er soll die Funktionselement und ihr Zusammenwirken darstellen Er soll das Prüfen, Warten, Fehlerorten und Instandsetzen ermöglichen

34 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.34 Vom Grundfließbild zur Kon- kretisierung -> Fließbild Erläuterungen zu Fließbild: Materialfluss: Rohaldehyd Hilfsstoffe: Heißwasser, Dampf Fühler: Temperatur, Füllstand, Druck, Durchfluss Aggregate: Wärmetauscher, Behälter, Ventile Quelle: Strohrmann

35 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.35 Vom Fließbild zum R&I-Schema Realisierungsgrundlage Bild 7. Strohrmann, S.11 Quelle: Strohrmann Destillationsprozess Regel- und Instrumentie- rungsschema Konkrete technische Realisierung mit Angabe aller Geräte und Aggre- gate. Alle hier darge Stellten Geräte finden sich 1:1 in der Anlage wieder.

36 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.36 Symbolik zur Fließbilderstellung verfahrenstechnischer Anlagen Quelle: Merz, Jaschek

37 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.37 Fließbilder / Anlagenbeschrei- bung: Normen und Richtlinien DIN 19226Leittechnik; Regelungstechnik und Steuerungstechnik Teil 1: Allgemeine Grundbegriffe Teil 2: Begriffe zum Verhalten dynamischer Systeme Teil 3: Begriffe zum Verhalten von Schaltsystemen Teil 4: Begriffe für Regelungs- und Steuerungssysteme Teil 5: Funktionelle Begriffe Teil 6: Begriffe zu Funktions- und Baueinheiten DIN 19221Formelzeichen der Regelungs- und Steuerungstechnik DIN 19225Benennung und Einteilung von Reglern DIN 19227Bildzeichen und Kennbuchstaben für Messen, Steuern, Regeln in der Verfahrenstechnik Teil 1: Zeichen für die funktionelle Darstellung Teil 2: Zeichen für die gerätetechnische Darstellung Teil 3: Zeichen für die funktionelle Darstellung (Ergänzung Teil 1) Teil 4: Zeichen für die funktionelle Darstellung beim Einsatz von Prozessrechnern

38 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.38 Fließbilder / Anlagenbeschrei- bung: Normen und Richtlinien ISO 3511Process measurement control functions and instrumentation – Symbolic representation- Part 1: Basic requirements Part 2: Extension of basic requirements Part 3: Detailed symbols for instrument insterconnection diagrams Part 4: Basic symbols for process computer, interface, and.... DIN 19228Bildzeichen für Messen, Steuern, Regeln DIN 19230Gleichstromsignal für elektrische Mess- und Regelanlagen DIN 19231Druckbereich für pneumatische Signalübertragung Prozessautomatisierung DIN 19235Automat, Automatisierung, Begriffe DIN ELeittechnik, Begriffe DIN 40700Schaltzeichen, Digitale Informationsverarbeitung DIN 40300Informationsverarbeitung, Begriffe DIN EProzessrechnersysteme, Begriffe

39 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.39 Fließbilder / Anlagenbeschrei- bung: Normen und Richtlinien Sonstige DIN 28004Bildzeichen für Rohrleitungen und Apparate VDI/VDE 2173Strömungstechnische Kenngrößen von Stellventilen und deren Bestimmung VDI/VDE 2174Mechanische Kenngrößen von Stellgeräten für strömende Stoffe und deren Bestimmung VDI/VDE 2176Strömungstechnische Kenngrößen von Stellklappen und deren Bestimmung (Blatt 1) Auf die hier verwiesenen Normen und Richtlinien besteht kein Anspruch Auf Vollständigkeit und gibt nur einen Überblick über vereinbarte Symbole zur Darstellung verfahrenstechnischer Abläufe.

40 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.40 Beispiele für Phasenmodell, Fließbild und R&I-Schema Zusatzstoff Zerkleinern Einsatzstoff Endprodukt Lösen Reaktion Trennen Lösungsmittel Quelle: PLT Uni Bochum Grundfließbild / Phasenmodell

41 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.41 Beispiele für Phasenmodell, Fließbild und R&I-Schema Lösungsmittel 700 kg/h Zusatzstoff 350 kg/h M P1 M Einstazstoff 800 kg/h Lösungsmittel 1000 kg/h 1 bar 20°C 1 bar 20°C P2 1 bar 108°C Endprodukt 1450 kg/h K1 W1 X Z1 M2 M1 B1B2 Heizdampf Tanklager Heizdampf 3 bar Quelle: PLT Uni Bochum Fließbild

42 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.42 Beispiele für Phasenmodell, Fließbild und R&I-Schema Quelle: PLT Uni Bochum R&I-Schema

43 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.43 Einführung in die R&I-Symbolik

44 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.44 Kennbuchstaben für EMSR- Technik DIN 19227, Teil 1

45 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.45 Kennbuchstaben für EMSR- Technik DIN 19227, Teil 2

46 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.46 Kennzeichnung einer PLT-Stelle nach DIN / ISO 3511

47 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.47 Beispiel für Kennzeichnung

48 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.48 R&I-Fließbild

49 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.49 Einfache MSR-Stellen Messstelle für Temperatur mit Vorortanzeige Messstelle 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)

50 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.50 Einfaches Beispiel mit Interpretation Anwendung:Pumpe fördert Flüssigkeit über Ventil in Rohrleitung MSR-Stelle5: Überwachung Speed (Drehzahl Antrieb) 6: Anzeige elektrische Größe (Strom Antrieb) 7: Vorortanzeige Flüssigkeitsstrom 2: Summation und Anzeige Durchfluß Leitstand 1: Anzeige, Regelung Differenzdruck über Ventil 4: Handverstellung am Ventil 8: Registrierung ph-Wert Leitstand Ventil (auf, Mittelstellung, zu)

51 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.51 Anlagenfließbild Destillationskolonne: Trennung von Mineralöl in seine einzelnen Bestandteile 6 unabhängige Regelkreise Erkennbar durch Messgrößen (Regelgrößen) und Stellglieder

52 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.52 Technische Lösung für Regelungsaufgabe Regelgröße: Differenzdruck Stellgröße: Öffnungswinkel Regelventil Vorgabe:Vorgabe Solldifferenzdruck (Eingabe Leitstand) Anschaltung / Verkabelung Sensor und Aktorik Regelung auf SPS / Hardwareregler Ausgabewert Öffnungswinkel über Analogausgänge für Stellung Stromlaufplan Klemmenplan M+K-Liste für Bauteile E/A-Liste für SPS Visualisierung (Leitstand) Infos Leitstand Datenarchivierung / Auswertung

53 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.53 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 Standhöhe einen 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 sich Jeweils ein handbetätigter Schieber für Reparaturzwecke. Im Behälter B2 wird die Temperatur und der Druck gemessen. Bei Überschreiten eines Temperatur- oder Druckgrenzwertes wird ein Alarmsignal gegeben. Der Abfluss aus B2 kann über ein Ventil geregelt eingestellt werden Alle MST sind in der Leitwarte Anzuzeigen.

54 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.54 Erstellen von Regelkreisen in verfahrenstechnischen Anlagen Ausgangspunkt für den MSR-Techniker (Automatisierungstechniker) ist als 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, Registrierung Steuernde 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.

55 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.55 PLT-Stellen-Blatt

56 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.56 Anwendungsbeispiele Aus einem Vorratsbehälter wird ein variabler Flüssigkeitsstrom ent- nommen. Es ist eine Regeleinrichtung zu skizzieren, so dass ein definierter Behälterfüllstand aufrechterhalten wird.

57 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.57 Lösung Fühler: Schwimmerkörper Stellglied:Schieber Regelstrecke:Behälter Regelgröße:Füllstandshöhe Sollwert:Einstellung Schwimmer Regler:Gestängeeinrichtung mit Schwimmer Störgröße:Entnahmemenge Funktion: Über ein Hebelgestänge bewirkt ein Steigen des Schwimmers das Schließen des Schiebers. Ein Sinken öffnet den Schieber. Regelungsart: Festwertregelung

58 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.58 Temperaturregelung In einem Durchlauferhitzer wird kaltes Wasser mit Dampf erhitzt. Geben Sie eine Regelschaltung mit Fühler und Stellgliedeinrichtung für diese Aufgabenstellung an.

59 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.59 Lösung Fühler: Temperatur Regler: Regelelement Stellglied: Regelventil Sollwert: Sollwertsteller Messumformer Funktion: Die Regeldifferenz steuert den Regler. Je größer e desto mehr muss das Regelventil öffnen. Je kleiner e desto mehr muss das Regelventil schließen.

60 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.60 Druckregelung In einem Druckbehälter soll der Gasdruck konstant gehalten werden. Entwerfen Sie eine geeignete Regelschaltung

61 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.61 Lösung Fühler: Druck Regler: Regelelement Stellglied: Regelventil Sollwert: Sollwertsteller Messumformer Funktion: Die Regeldifferenz steuert den Regler. Ist e > 0 (d.h. p ist < p soll ) Dann muss das Ventil schließen (e>0, y<0). Ist e<0 dann muss das Ventil öffnen. Regelsinn beachten!

62 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.62 Regelung eines Banddurchhanges In einem Bandtransport soll die Höhe des Durchhanaes geregelt werden. Entwerfen Sie eine geeignete Regelschaltung

63 © Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel Oktober 2003 / Prozess- automatisierung Blatt 2.63 Lösung Fühler: Druck Regler: Regelelement Stellglied: Regelventil Sollwert: Sollwertsteller Messumformer Funktion: Die Regeldifferenz steuert den Regler. Ist e > 0 (d.h. p ist < p soll ) Dann muss das Ventil schließen (e>0, y<0). Ist e<0 dann muss das Ventil öffnen. Regelsinn beachten!


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