CAE in der Prozessautomatisierung - Fakultät Elektrotechnik und ...

Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik 

Engineering Prozessleittechnik 

VL Prozessleittechnik I (SS 2011) 

Professur für Prozessleittechnik 

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas, Michael Obst, Falk Doherr

Überblick 

• Engineering in der Prozessindustrie 

� Ziele, Aufgaben und (Vorgehensmodelle) 

• Computer Aided Engineering 

� Anforderungen: Gewerke und Sichten 

� Lösungsansätze: Datenbanken, Werkzeuge 

• Engineering leittechnischer Funktionen 

� Identifikation: Anlagenhierarchie und 

Kennzeichnungssysteme 

� Abstraktion: Planarten zur grafischen Darstellung 

von Zusammenhängen 

• Medienbrüche 

12.07.2011 PRLT (c) Urbas 2008-2011 Folie 2

Ziele des PLT-Engineerings 

• Nahtlose Umsetzung der funktionalen Forderungen der 

Prozessingenieure (Chemie, Anlagenbau, Verfahrenstechnik) 

• Mittel für die Prozessführung 

� Messen, Steuern, Regeln, Überwachen, Visualisieren, Bedienen 

� Instrumentierung, Kommunikation 

• Planung, Auslegung und Implementierung von Energieversorgung 

� Zusichern und Bereitstellen der notwendigen Kapazitäten 

� Zuverlässige räumliche Strukturen (Trafostation, Kabelbrücken) 

• Anbindung an übergeordnete Unternehmens- und 

Betriebsleitebenen 

• Schutz- und Sicherheitseinrichtungen realisieren 

� SIL - Safety Integrity Level 

� SIS - Safety Instrumented System 


Arbeitsplätze für das Engineering 


Arbeitsplätze für das Engineering 


Warum CA-Systeme? 

Bewältigung der steigenden Effizienz-, Zeit- und 

Qualitätsanforderungen an die Unternehmen (Planungsingenieure) 


Anforderungen an CA-Systeme 

• der Computer soll den Menschen nicht ersetzen 

• CA-Systeme sollen die menschlichen Fähigkeiten 

und Qualitäten ergänzen und erweitern 

• sie sollen helfen die menschlichen Schwächen 

auszugleichen bzw. abzufangen 

� unsystematisches Vorgehen 

� Vergessen von Einzelheiten 

� mangelnde Übersicht über die 

Zusammenhänge und Fakten, die sich 

während des Engineeringprozesses auch 

noch ändern 

technisches System 

CA-Systeme 

Der Mensch muss noch immer die maßgeblichen Arbeiten selber 

vollführen und sollte die letztendliche Verantwortung nicht an den 

Computer abgeben (können)! 


Überblick - CA-Systeme 

12.07.2011 PRLT (c) Urbas 2008-2011 

(nach Lauber, R. 

u. Göhner, Folie 8 P. 

1999)

CAD (CAE) – Der Anfang 

• 1963 entwickelte Ivan Sutherland am MIT 

(Massachusetts Institute of Technology) 

das Programm „Sketchpad“, mit dem über 

ein Lichtgriffel einfache Zeichenobjekte 

erzeugt und in ihrer Größe verändert 

werden konnten � Video 

Elektronik 

Fototransistor 

Auslöser 

konventionell Nutzung heute 

12.07.2011 PRLT (c) Urbas 2008-2011 Folie 9 

� Lichtpistole

CAD (CAE) – Der Anfang 

• Ende der 60er bis Mitte der 70er Jahre entstehen vor 

Allem im Flugzeugbau erste kommerzielle CAD-Systeme 

(2D), die mit Hilfe von IBM-Großrechnern liefen 

� CADAM (Computer Augmented Design And 

Manufacturing) der Fa. Lockheed 

• Weiterentwicklung von CADAM durch Fa. Avions Marcel 

Dassault 

� CATIA (Computer Aided Three-Dimensional 

Interactive Application) 

• Forschung an der Universität Cambridge zur Nutzung 

einfacher 3D-Körper 

� PDMS (Plant Design Management System) der Fa. 

Aveva 

• Im Laufe der 80er Jahre ist mit dem Programm AutoCAD 

das rechnergestützte Konstruieren auch auf Heimrechner 

möglich 


CAD � CAE – Der Übergang 

• CAD-Systeme wurden konzipiert, um den Menschen bei der 

Erzeugung von technischen Zeichnungen zu unterstützen (sauberes 

Zeichnen, Änderungsanpassungen, Symbolbibliotheken, 

Wiederverwendbarkeit, Reproduzierbarkeit) 

• im Laufe der Zeit war es notwendig, mehr und mehr Informationen 

zu den einzelnen Zeichnungsobjekten bereitzustellen und zu 

interpretieren 

• Werden neben dem eigentlichen Design- (Entwurf, Zeichnung) auch 

Projektierungsaufgaben durch diese Systeme übernommen, spricht 

man nicht mehr von CAD- sondern CAE-Systemen. 


CAD � CAE – Der Übergang 

� Steht hinter einem CAD-System ein Datenmodell für die 

Objekte, welches die Objekte selber, ihre Eigenschaften und 

ihre Relationen abbildet, und existiert eine Komponente für 

die Datenhaltung, so handelt es sich um ein CAE-System. 

� die Eigenschaften sind vor allem nichtgrafische Aspekte 

� das „E“ bedeutet nicht nur Datenhaltung in Formularen, sondern stellt im 

wesentlichen die Informationsbasis für alle Meilensteine beim Engineering 

einer technischen Anlage dar (notwendig für die Generierung von 

Planungsdokumenten wie Listen, Datenblättern, Angebotsanfragen u.a.) 


Vergleich von CAE-Systemen für die 

Prozessautomatisierung (1/2) 


(nach Rauprich u. a. (2002))

CAE-Werkzeugvielfalt 

• in allen Lifecycle-Phasen kommen eine Vielzahl unterschiedlichster CAE-Systeme zum 

Einsatz (Je nach Gewerk, eigene, auf ihre Umgebung optimierte CAE- Systeme) � 

Einsatzgründe: 

� hist. großer Marktanteil und weite Verbreitung 

� Speziallösungen; besondere Funktionen (features) 

� Zwang (z.B. teilweise bei Entwicklungsumgebungen von Steuerungen) 

� Verfahrensentwicklung 

� Apparate- und Rohrleitungsplanung 

� Instrumentierung (PLT-Hardware) 

� Instrumentierung (PLT-Software) 

� Elektroplanung 

� weitere für bspw. die Konfiguration der Feldgeräte und Steuerungen und die 

Instandhaltung der Anlage 


CAE-Systeme für die Verfahrensauslegung 

• Aufgabe: 

� Verfahren in Grobstruktur konzipieren 

� Anlagenteile dimensionieren 

� Energieverbrauch und Sicherheit optimieren 

• Zielgruppe 

• Methoden 

� Verfahrenstechnik 

� Modellierung 

� Stationäre und dynamische 

Simulation 

• Simulationswerkzeuge zur 

Prozessmodellierung wie 

z.B. Aspen-Hysys, UniSim, Matlab 


CAE-Systeme für die Fließbilderstellung 

• Aufgabe: 

� Erstellen von Fließbildern nach EN ISO 10628 (Grundfließbild, 

Verfahrensfließbild, Rohrleitung & Instrumentenfließbild (RI) 


� Verfahrenstechnik, MSR 

• Werkzeuge: SmartPlant P&ID, Comos, weitere CAD-Systeme 


CAE-Systeme für die Aufstellung-, Apparate- und 

Rohrleitungsplanung 

• Aufgabe: 

� Planung der räumliche Anordnung von Apparaten und Maschinen in 

einem dafür konzipierten Anlagengerüst 

� Bestimmung Platzbedarf, Abschätzung Mengengerüste, Optimierung 

von Investitions- und Montagekosten, Instandhaltung, Bedienung, 

Wege, Sicherheit, Instandhaltung durch Bestimmung von Ort und 

Lage 


� Stahlbau, Apparatebau 

• Bsp.: z.B. AutoCAD, MicroStation, PDS 3D 




Stahlbau 


Rohrleitungen 

Virtuelle Begehung



Rohrleitungsisometrie 


CAE-Systeme für die Instrumentierung (PLT- 

Hardware) 

• Aufgabe: 

� Feldinstrumentierung, Verkabelung, Schalträume 

� Für Elektrotechnische Aufgaben: Stromlaufplan 

� Für MSR-Aufgaben: PLT-Stellenplan 


� MSR 

• z.B. SmartPlant Instrumentation, 

Comos, PRODOK, E-PLAN 


CAE-Systeme für die Instrumentierung (PLT- 

Software) 

• Aufgabe: 

� Planung und Entwicklung der Logik von MSR und PLT-Aufgaben 

(Steuerungs- und Regelungsprogrammentwurf) 

� IEC 61131-3, VDI/VDE 3696 – Systemneutrale Programmierung 


� MSR, PLT 

• z.B. logiDOC, Comos 



Planungsdokumente für die 

Prozessautomatisierung

Planungsdokumente 

Planungsdokumente 

� graphisch - nicht graphisch 

Verfahrenstechnische Fließbilder, 

Stromlaufpläne, Netzpläne, 

PLT-Stellenplan, Funktionspläne, 

Gebäude- und Lagepläne, 

Anschlusspläne, 

Aufstellungspläne, … 

� gewerkeübergreifend – gewerkespezifisch 

� intern (Planung) – extern (Beschaffung, Hersteller) 

� unternehmensspezifische Dokumente 

Datenblätter, Listen, 

PLT-Stellenblätter, 

Beschreibungen,Gutachten, 

Geräteanforderungen, … 


verfahrenstechnische Fließbilder 

� Zeichnerische Darstellung des Ablaufs, Aufbaus und der Funktion 

einer verfahrenstechnischen (Teil-)Anlage 

� Wesentliches Mittel beim Entwurf des verfahrenstechnischen 

Prozesses 

� dienen dem Informationsaustausch zwischen den an der Planung, 

Montage, IBS, Betrieb und Instandhaltung beteiligten 

Arbeitsgruppen 

� Vereinfachung der fachübergreifenden Verständigung 


verfahrenstechnische Fließbilder 

Grundfließbild 

Verfahrensfließbild 

Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild 

(Rohrleitungs- und Instrumentierungsfließbild) 

• DIN EN ISO 10628: Regeln zur Erstellung der 

verfahrenstechnischen Fließbildarten unterschiedlichen 

Abstraktionsgrads (anzugebende Informationen, 

Symbole, Darstellungsvorgaben) 


Grundfließbild (block diagram) 

• Beispiel: Wasserkreisläufe der verfahrenstech. Versuchsanlage (nicht 

normkonform) 



• Beispiel:Laboranlage - Rezeptsteuerung 

Eingangsstoff 1 






Reaktion 1 

Reaktion 2 

Mischen Reaktion 3 Abfüllen 

Erstellt am: 02.11.2007 

Bearb.: Falk Doherr 

Projekt: Laboranlage - Batchprozess 

Spülen 

GRÖSSE FAX-NR. ZEICHN.NR. REV. 

=TUD.H1.PFB001 

Ausgangsstoff 1 

Ausgangsstoff 2 

Frischwasser Schmutzwasser 

MASSSTAB 1:1 BLATT 1 VON 1 



• Beispiel: DIN EN ISO 10628 B.2 


Verfahrensfließbild (process flow diagram) 

• Konkretisierung der chemischen und physikalischen Zusammenhänge 

(Elementarfunktionen) und Überführung dieser auf wesentliche 

apparatetechnische Objekte (Behälter, Pumpen, Wärmetauscher, 

Mischer,…) 

� Detaillierte Darstellung der apparatetechnischen Realisierung 

des Verfahrens (Prozesses) mit allen wesentlichen Informationen 

• DIN EN ISO 10628: „… Darstellung eines Verfahrens oder einer 

verfahrenstechnischen Anlage mit Hilfe von graphischen Symbolen, 

die durch Linien verbunden sind.“ 

• Darstellungsmittel: 

� graphische Symbole � Anlagenteile 

� Linien � Fließlinien für Stoffe und Energien bzw. Energieträger 



• Beispiel: Projekt der Verfahrenstechniker der TUD (TUD, 

Prof. Mollekopf) (Absorption saurer Gase aus Gasgemischen) 



• Beispiel: DIN EN ISO 10628 Bild B.4 (Zusatzinform.) 


R&I-Fließbild (P&I Diagram) 

• 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 



• eines der wichtigesten Planungsdokumente einer 

verfahrenstechnischen Anlage 

� Informationssammler 

� gewerkeübergreifendes Kommunikationsmittel 

(Verfahrensentwicklung �� EMSR-Planung) 

• Darstellungsmittel: 

� graphische Symbole � Anlagenteile, Rohrleitungen 

� Meß-, Regel- und 

Steuerfunktionen (DIN 19227-1) 

� Linien � Informationsflüsse zwischen Meß-, Regel- und 

Steuerfunktionen und den Anlagenteilen und Rohrleitungen 



• Beispiel: DIN EN ISO 10628 Bild B.6 (Zusatzinform.) 



• Beispiel:Teilanlage „Mischen“ des GZAT 



DIN 19227-1 (ersetzt durch DIN EN 62424) 

Grafische Symbole und Kennbuchstaben 

für die Prozessleittechnik 

Darstellung von Aufgaben

Anwendungsbereich DIN 19227-1 

• Zweck: 

� Aufgabenbezogen Darstellung der PLT auf 

R&I-Fließbild 

� Beschränkung auf prozessbezogene EMSR- 

Technik 

• Anwendungsbereich: 

� Verfahrenstechnische Anlagen (Chemie, 

Kraftwerk, Nahrungsmittel, Wasser, …) 


Grafische Symbole 

• Darstellung der EMSR-Aufgabe (neu PCE-Aufgabe) durch 

EMSR-Stellen-Symbol: Rund bzw. Langrund („PLT-Ei“) 

� Allgemein 

� Prozessleitsystem 

� Prozessrechner 

• Kennzeichnung des Ausgabe- und Bedienortes 

� Vor Ort - kein Querstrich 

� Leitewarte - ein Querstrich 

� Örtlicher Leitstand - Doppelquerstrich 


Textfelder am EMSR-SS 

1 

EMSR-Stellen-Funktion 

(Kennbuchstaben!) 

2.1 und 2.2 

EMSR-Stellen- 

Kennzeichung 

(Identifikation) 

3.1 und 3.2 

weitere Kennzeichnungen 

(z.B. Ort, Stelle, etc.) 


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 


Weitere Regeln für die Darstellung 

• Erfüllung einer Funktion durch 

Mehrfacherfassung � mehrere 

EMSR-SS 

• Mehrere Ausgabe- und 

Bedienorte � mehrere EMSR-SS 


Kennbuchstaben 

• Buchstabensequenz, eingeteilt in zwei Gruppen 

� Gruppe 1: Erstbuchstabe und ggf. Ergänzungsbuchstabe 

� 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 

Erstbuchstabe (mit Änderungen nach 

DIN EN 62424) 

• D – Dichte 

• E – Elektrische Größe (Spannung) 

• F – Durchfluss, Durchsatz 

• G – Amplitude, Stellung, Länge, 

Dehnung, Abstand 

• H – Handeingabe, Handeingriff 

• K – Zeit 

• L – Stand 

• M – Feuchte 

• Q – Qualität, Stoffeigenschaft, Analyse 

• R – Strahlungsgröße 

• S – Geschwindigkeit, Drehzahl, 

Frequenz 

• T – Temperatur 

• U – Zusammengesetzt (nicht benutzen) 

• V – Viskosität (Vibration) 

• W – Gewichtskraft, Masse 

• N – frei Verfügbar (Stellglied Motor) 

• X – frei Verfügbar 

• Y – frei Verfügbar (Stellglied Ventil) 

Zusätzliche Erstbuchstabe 

• A – Analyse 

• B – Brennersteuerung 

• C – Frei Verwendbar 

• I – Strom 

• Z – Frei Verwendbar 

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 


Gruppe 2 - Folgebuchstaben 

• 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 


Grenzwerte und Schutzeinrichtungen 

• Oberer (H,+) und unterer Grenzwert (L,-) werden den 

Folgebuchstaben A,O,S,Z einzeln oder gemeinsam 

nachgestellt 

• H,+,K,- 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 

• Einwirkung auf Strecke 


Beispiel 



DIN 19227-2 

Grafische Symbole und Kennbuchstaben 

für die Prozessleittechnik 

Darstellung von Einzelheiten

(PLT)EMSR-Stellenplan 

• graphische Darstellung der gerätetechnischen Funktionen 

und Zusammenhänge, die zur Realisierung einer EMSR- 

Stelle notwendig sind 

• sollen helfen die EMSR-Stelle (Loop) zu prüfen (Loop- 

Check), in Betrieb zu nehmen und zu warten 

• Verdeutlichung der allg. Örtlichkeit der Elemente 

� z.B.: Feld-, Rangier- und Leitebene 

• vereinfachte Darstellung mit Sinnbildern � DIN 19227-2 

• unterschiedlichste Darstellungen (oben – unten/ links – 

rechts) � siehe Vortrag Dr. Zgorzelski 





VKE23 X1: 19 20 

Das CAE-System 

verwaltet u.a.: 

− Klemmen des 

Verteilerkastens 

− Anschlussklemmen 

des Messumformers 

− Anschlussklemmen 

des Sensors 


Beispiel 



Literatur 

• DIN EN ISO 10628: Fließschemata für verfahrenstechnische 

Anlagen. Berlin: Beuth, 2001 

• Früh, K.F. (Hrsg.) ; Maier, U. (Hrsg.): Handbuch der 

Prozessautomatisierung. München : Oldenbourg 

Industrieverlag, 2004 

• Favre-Bulle, B.: Automatisierung komplexer 

Industrieprozesse. Wien : Springer-Verlag, 2004

CAE in der Prozessautomatisierung - Fakultät Elektrotechnik und ...

Erfolgreiche ePaper selbst erstellen

Template löschen?

Als Template speichern?