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2021 | OriginalPaper | Chapter

3. Kernprojektierung

Authors : Thomas Bindel, Dieter Hofmann

Published in: Projektierung von Automatisierungsanlagen

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

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Zusammenfassung

Aus der Projektierungspraxis abgeleitet, umfasst ein Automatisierungsprojekt im Wesentlichen drei Projektkomponenten (Abb. 3.1). Die bereits im Kap. 2 eingeführte Kernprojektierung ist eine dieser Projektkomponenten. Das Basic- sowie Detailengineering beinhaltend, ist sie für den Projektierungsingenieur das wichtigste Kompetenzfeld, welches deshalb im Abschn. 3.3 ausführlich behandelt wird. Überlegungen zum Entwurf von Prozesssicherungsstrukturen beeinflussen sowie erweitern die Tätigkeiten der Kernprojektierung und sind an verschiedenen Stellen innerhalb des Basic- sowie Detailengineerings anzustellen.

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Footnotes
1
Zur Definition des Begriffs „Instrumentierung“ vgl. Abschn. 3.3.3.3!
 
2
DV: Abkürzung für Datenverarbeitung
 
3
Nach [3] umfassen MES-Systeme Softwarelösungen für die Betriebsleitebene und verbinden so im Sinne der vertikalen Integration Prozessleitsysteme in der Prozessleitebene mit ERP-Systemen in der Unternehmensleitebene.
 
4
Nach [3] unterstützen ERP-Systeme die durchgängige Ressourcenplanung, -optimierung und -verwaltung vom Auftragseingang bis hin zum Warenversand. Als Beispiel eines bekannten ERP-Systems wird in [3] die Software SAP/R3 genannt.
 
5
Erläuterungen zu Abb. 3.5 beachten!
 
6
Nach Abb. 3.2 ist die Prozessdatenaufbereitung dem Schaltraum, die Prozessdatenverarbeitung der Prozessleitwarte zugeordnet. Abhängig vom konkreten Anwendungsfall kann diese Trennung aus örtlicher Sicht manchmal auch aufgehoben sein und sich daher sowohl Prozessdatenaufbereitung als auch -verarbeitung im Schaltraum befinden.
 
7
In einigen Industriezweigen – z. B. Kraftwerkstechnik, Metallurgie, Papierindustrie u. a. – gibt es neben bzw. statt Prozessleitwarten örtliche Leitstände. Diese Variante wird hier nicht weiter betrachtet, sondern im Rahmen des vorliegenden Buches davon ausgegangen, dass die Bedienung und Beobachtung vorzugsweise in Prozessleitwarten erfolgt.
 
8
DIN EN ISO 10628 unterscheidet neben Verfahrensfließ- sowie R&I-Fließschema (Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema) noch das Grundfließschema, das für die Kernprojektierung jedoch von eher untergeordneter Bedeutung ist. Für Beispiele zum Grundfließschema wird auf DIN EN ISO 10628 [5] verwiesen.
 
9
Der Unterschied zwischen R&I-Fließschema sowie R&I-Fließbild wird im Abschn. 3.3.3.1 erläutert.
 
10
Häufig wird diese Aufgabe auch vom Kunden an Unternehmen (z. B. Ingenieurbüros) übertragen, die in seinem Auftrag Ausschreibung, Vergabe, Projektplanung, -steuerung und -überwachung übernehmen.
 
11
Im Allgemeinen enthalten Verfahrensfließschemata keine EMSR-Stellen nach DIN 19227 [8] bzw. PCE-Stellen (Darstellung von PCE-Aufgaben sowie PCE-Leitfunktionen nach DIN EN 62424 [9] – vgl. Abschn. 3.3.3.1.3). Wie bereits ausgeführt, sind jedoch nach Tabelle 3.2 Ausnahmen möglich. In diesen Fällen werden nur die wichtigsten EMSR-Stellen (wie z. B. in Abb. 3.8) bzw. PCE-Stellen (PCE-Aufgaben sowie -Leitfunktionen) dargestellt.
 
12
Neben DIN EN ISO 10628 war bis 2014 DIN 2429 [7] anstelle DIN 28004 zu beachten. Im Zuge der Ablösung von DIN 19227 [8] durch DIN EN 62424 [9] wurde aber auch DIN 2429 zurückgezogen und bis auf die grafische Darstellung von Stellantrieben in DIN EN ISO 10628 eingearbeitet. Stellantriebe sind grafisch seitdem nach DIN 28000 (Teil 4 – Stand Juli 2014) [6] darzustellen.
 
13
DIN 28004-4 (1977) wurde 2014 in DIN 28000 (Teil 4 – Stand Juli 2014) [6] neu gefasst und enthält seitdem Symbole für Stellantriebe (vgl. Abb. 3.9) sowie Kennzeichnung des Verhaltens von Stellgeräten bei Hilfsenergieausfall (vgl. Abb. 3.25), die aus der 2014 zurückgezogenen Norm DIN 2429 [7] übernommen wurden.
 
14
Zu DIN 6779 vgl. Ausführungen in Abschn. 3.3.4.4.1 bzw. Erläuterungen in Abb. 3.100!
 
15
Zum Informationsgehalt des R&I-Fließschemas/-bildes siehe Tabelle 3.2!
 
16
Ausführungen zu Angebotsaufbau und Kalkulation folgen im Kap. 7.
 
17
PCE: Process Control Engineering (englischer Begriff für „Instrumentierungstechnische Auslegung“ [9])
 
18
PCE-Ausführung: Technische Realisierung von Aufgaben der Prozessleittechnik (zur Orientierung vgl. Abb. 3.17)
 
19
EMSR-Stelle (Elektro-, Mess-, Steuer- und Regelstelle) – synonym oft auch PLT-Stelle (Prozessleittechnische Stelle) genannt: Beschreibung einer innerhalb einer Automatisierungsanlage abgegrenzten Automatisierungsaufgabe
 
20
In diesem Zusammenhang bezeichnet man auch die Systematik der Kennzeichnung von Anlagenkomponenten und EMSR-Stellen als Anlagen- und Apparatekennzeichen (AKZ). Innerhalb einer Industrieanlage ermöglicht deshalb das AKZ die eindeutige Zuordnung von Anlagenkomponenten und EMSR-Stellen zu Teilanlagen und Anlagen. Im Bereich der Kraftwerksautomatisierung wird hierfür beispielsweise das Kraftwerkskennzeichnungssystem (KKS) benutzt.
 
21
Die Bedien- und Beobachtungseinrichtung kann in diesem Fall z. B. aus einem vor Ort, im örtlichen Leitstand oder in der Prozessleitwarte installierten Bedien- und Beobachtungsrechner bestehen.
 
22
z. B. Bedien- und Beobachtungsrechner oder Operator-Panel
 
23
Die im Folgenden verwendeten Bezeichnungen Erstbuchstabe, Ergänzungsbuchstabe und Folgebuchstabe resultieren aus der Kodetabelle nach DIN 19227 [8]. Achtung: Je nachdem, ob ein Buchstabe als Erstbuchstabe, Ergänzungs- oder Folgebuchstabe verwendet wird, kann der gleiche Buchstabe verschiedene Bedeutungen haben, z. B. Kennbuchstabe „L“: Bei Verwendung als Erstbuchstabe steht „L“ für die Messgröße „Füllstand“ (engl. level), bei Verwendung als Folgebuchstabe steht „L“ für unteren Grenzwert (engl. low)!
 
24
Die Linienstärke für diese Voll- bzw. strichlierten Linien beträgt üblicherweise 50 % der Linienstärke für Rohrleitungen, Armaturen, Behälter, Maschinen und Apparate.
 
25
Wie bereits erläutert, ist DIN 19227, Teil 1 zurückgezogen und durch DIN EN 62424 [9] ersetzt worden. Danach wird auch die Wirkungslinie von der EMSR-Stelle zum Stellort als Volllinie dargestellt, strichlierte Linien werden nur für Wirkungslinien zwischen EMSR-Stellen verwendet. Weitere Erläuterungen sind [10] zu entnehmen.
 
26
Die Kennbuchstaben „O“, „A“ und „Z“ und (in Ausnahmefällen – siehe hierzu Erläuterungen zur Verwendung des Kennbuchstabens „S“ als Folgebuchstabe) „S“ sind mindestens mit dem Folgebuchstaben „H“ (bzw. Zeichen „+“) und/oder „L“ (bzw. Zeichen „-“) bzw. dem Zeichen „/“ anzuwenden!
 
27
Die EMSR-Stelle „US“ ist mit SPS-Technik instrumentiert. Der zugehörige EMSR-Stellenplan beinhaltet daher die SPS-Gesamtdarstellung mit Querverweisen zu den EMSR-Stellenplänen, in denen die Analogein-/-ausgänge bzw. Binärein-/ -ausgänge einzeln dargestellt werden (vgl. Erläuterungen in Abschn. 3.3.4.4).
 
28
Zur Gliederung verfahrenstechnischer Anlagen in Werke, Komplexe, Anlagen, Teilanlagen und Anlagenteile vgl. Abb. 3.93!
 
29
Welche Einzelfunktionen sinnvoll zur Motorstandardfunktion zusammengefasst werden, ist abweichend von DIN 19227 auch projektspezifisch festlegbar.
 
30
Verbraucherabzweige sind technische Einrichtungen, die alle zum Betrieb von Verbrauchern (z. B. Stellantriebe für Drosselstellglieder bzw. Arbeitsmaschinen) erforderlichen elektrischen Betriebsmittel – beginnend bei den Klemmen zum Anschluss an den Versorgungsstrang und endend an den Verbraucheranschlussklemmen – umfassen. Wesentliche elektrische Betriebsmittel eines Verbraucherabzweiges sind: Leitungsschutzschalter, Motorschutzrelais, Schütz (siehe hierzu Erläuterungen im Anhang 1).
 
31
Hinweis in Fußnote 40 beachten!
 
32
Dies gilt nicht für Stellantriebe, die im R&I-Fließbild nach wie vor näher spezifiziert werden können. DIN EN 62424 lässt jedoch offen, wie Stellantriebe allgemein im R&I-Fließbild dargestellt werden, wenn Stelleinrichtungen noch nicht spezifiziert sind bzw. wie elektromotorische Stellantriebe von Ventilstellgeräten darzustellen sind (hierzu Hinweis in der Abb. 3.41 beachten).
 
33
entspricht Darstellung von EMSR-Aufgaben nach DIN 19227 (Teil 1)
 
34
war nach DIN 19227, Teil 1 Bestandteil der Darstellung von EMSR-Aufgaben, d. h. wurde bisher nicht als separat darzustellende EMSR-Aufgabe betrachtet
 
35
Die Sicherheitsfunktion soll durch SIL (Safety Integrity Level; Sicherheitsintegritäts-Level nach IEC 61511-1) oder PL (Performance Level nach ISO 13849-1) kategorisiert werden.
 
36
GMP: Good Manufacturing Practice (Richtlinien qualitätsgerechter Produktion) [9]
 
37
Nach DIN EN 62424 kann dieses Feld, falls es nicht für Informationen zu einem Unterlieferanten genutzt wird, zur Darstellung anderer projektspezifischer Angaben genutzt werden.
 
38
Falls eine PCE-Leitfunktion „US“ teilweise die Bedeutung einer PCE-Leitfunktion „UZ“ hat, ist nach [9] der Kennbuchstabe „U“ aus der Tabelle der PCE-Kategorien (vgl. Abb. 3.30) mit den Kennbuchstaben „S“ und „Z“ aus der Tabelle der PCE-Verarbeitungsfunktionen (vgl. Abb. 3.30) zu kombinieren, d. h. die Kombination der Kennbuchstaben lautet in diesem Fall „USZ“.
 
39
DIN EN 62424 verwendet hier den Begriff „motorgesteuert“. Nach Meinung der Autoren wird das Stellglied aber nicht vom Motor gesteuert, sondern angetrieben.
 
40
Wie bereits im Abschn. 3.3.3.1.3 erläutert, ist ferner als Unterschied zu beachten, dass beispielsweise bei Armaturen auf die Darstellung von Funktionsdetails (z. B. Ausführung einer Armatur als Ventil, Schieber, Klappe, Hahn) mit den Symbolen nach DIN EN ISO 10628 verzichtet werden muss, da dies im CAEX-Modell nicht vorgesehen ist [9]. Solche Details müssen in der PCE-Datenbank, in der die instrumentierungstechnische Auslegung gespeichert ist, hinterlegt werden [9].
 
41
„Nicht vollständig“ weist daraufhin, dass in [9] keine Aussagen zur softwarebasierten Umsetzung des R&I-Fließbildes in die PCE-Datenbank enthalten sind.
 
42
Die im R&I-Fließbild nach DIN EN 62424 mit entsprechenden Symbolen (vgl. Abschn. 3.3.3.1.3) dargestellten PCE-Aufgaben sowie PCE-Leitfunktionen werden fortan PCE-Stellen genannt.
 
43
„SIL“ steht für Safety Integrated Level und ist ein durch DIN EN 61508 sowie DIN EN 61511 bestimmtes Maß, eingeteilt in vier Stufen, für die Zuverlässigkeit von Systemen (vgl. dazu auch Erläuterungen im Abschn. 5.5).
 
44
Zum besseren Verständnis der Funktionsweise dieser Stellglieder werden auch notwendige Grundlagen aus der Strömungsmechanik (zumindest in verbaler Form, d. h. nicht formelmäßig) kurz aufgegriffen und in die Erläuterungen zur Auswahl und Dimensionierung dieser Stelleinrichtungen einbezogen. Zur Vertiefung sei u. a. auf [19] verwiesen.
 
45
In der einschlägigen Fachliteratur werden statt des Begriffes „Durchfluss“ häufig auch die Begriffe „Durchsatz“, „Stoffstrom“, „Volumenstrom“ bzw. „Förderstrom“ verwendet.
 
46
Die Anlagenkennlinie gibt an, wie groß der von der Anlage verursachte Druckabfall – bedingt durch in der Anlage vorhandene Strömungswiderstände – in Abhängigkeit vom durch die Anlage fließenden Förderstrom ist.
 
47
Neben linearen bzw. gleichprozentigen Stellventilkennlinien existieren ferner gleichprozentig-lineare Stellventilkennlinien. Da gleichprozentig-lineare Stellventilkennlinien in der verfahrenstechnischen Praxis seltener benötigt werden, wird hier nicht näher darauf eingegangen.
 
48
Zur Berechnung der Rohrleitungskennlinie stehen leistungsfähige CAE-Programme (z. B. Softwareprodukt „CC-SafetyNet“ der Fa. Chemstations Deutschland GmbH) zur Verfügung. Die Kennlinie für den Druckabfall an der Pumpe (Pumpenkennlinie) wird im Allgemeinen vom Pumpenhersteller geliefert.
 
49
Hinweis zur Spalte „Spezifikation“ in Abb. 3.67: Eine Spezifikation kann neben der Angabe eines allgemeinen Gerätetyps (z. B. Stellventil, Speisetrenner etc.) auch Angaben zum eingesetzten konkreten Gerät eines bestimmten Herstellers enthalten.
 
50
Hierzu gehören auch Baugruppen für die busbasierte Datenübertragung, d. h die in Abb. 1.​5 genannte diesbezügliche Aufgabe ist hier mit enthalten.
 
51
Hinweis in Fußnote 3 in Kap. 1 beachten!
 
52
Um Kopplungen zu Fremdanlagen im leittechnischen Mengengerüst berücksichtigen zu können, ist Abb. 3.69 um die Komponente „Fremdanlagenkopplung“ zu ergänzen und diese Komponente entsprechend zu strukturieren.
 
53
Mit dem Begriff „Speicherprogrammierbare Technik“ ist SPS-Technik gemeint, die separat und/oder als integraler Bestandteil von Prozessleitsystemen eingesetzt wird.
 
54
Im Vergleich zu rechnergestützten Bedien- und Beobachtungseinrichtungen sind konventionelle Bedien- und Beobachtungseinrichtungen (Anzeiger, Registriergeräte usw.) bei den hier betrachteten Prozessklassen von untergeordneter Bedeutung. Letztere werden daher hier nicht weiter betrachtet.
 
55
Hierzu gehören z. B. Verbraucherabzweige (vgl. Fußnote 30 sowie Erläuterungen im Anhang 1), mit denen die Motorstandardfunktion (siehe Erläuterungen zur Kennbuchstabenkombination “EU” im Abschn. 3.3.3.1.2.) realisiert wird.
 
56
Signalart „örtlich“ bedeutet, dass die betreffende Prozessgröße mit einer in unmittelbarer Nähe des Messortes installierten Messeinrichtung gemessen und angezeigt, der Messwert jedoch nicht in weiteren Geräten (z. B. in separaten Wandlern oder hilfsenergielosen Reglern) weiterverarbeitet wird bzw. keine Fernübertragung in Schaltraum oder Prozessleitwarte bzw. örtlichen Leitstand stattfindet. Wenn diese Messeinrichtungen ohne elektrische Hilfsenergie arbeiten (was meist der Fall ist), handelt es sich um eigensichere Messeinrichtungen (vgl. auch Fußnote 59).
 
57
Signalart „softwaremäßig“ bei analogen elektrischen Messeinrichtungen bedeutet, dass im Falle der EMSR-Stellenrealisierung mit speicherprogrammierbarer Technik vom Anwenderprogramm (Anwendersoftware) ein binäres Signal erzeugt wird, wenn das derart überwachte Analogsignal Grenzwerte, die in Parametern des Anwenderprogramms hinterlegt sind, überschreitet, d. h. das binäre Signal wird nicht durch eine binäre Messeinrichtung erzeugt.
 
58
Dieser Fall liegt dann vor, wenn von einer Messeinrichtung per Feldbus (z. B. PROFIBUS) Messsignale oder – z. B. mittels HART-Protokoll – an sie Konfigurier- und Parametrierinformationen übertragen werden.
 
59
Der Begriff „Eigensicherheit“ wird später im Zusammenhang mit den Ausführungen im Abschn. 5.​3 erläutert.
 
60
Betrachtungen zu Stelleinrichtungen für ereignisdiskrete Prozesse (z. B. pneumatische Arbeitszylinder) werden nicht angestellt, weil das den Rahmen des vorliegenden Buches überschreiten würde.
 
61
Stelleinrichtungen, die mit hydraulischer Hilfsenergie zu betreiben sind, werden hier nicht betrachtet, weil bei den hier betrachteten Prozessklassen (vgl. Abb. 1.​3) größtenteils mit elektrischer bzw. pneumatischer Hilfsenergie betriebene Stelleinrichtungen zum Einsatz kommen.
 
62
Strenggenommen handelt es sich beim Stellungsregler um einen Steller. Hersteller bieten Stellungsregler jedoch meist als Zubehör an. Daher wird der Stellungsregler im leittechnischen Mengengerüst als Zubehör erfasst.
 
63
Die Signalart „örtlich“ ist nur für die Zubehörkategorie „Stellgliedrückmeldung“ relevant und bedeutet, dass die Stellgliedrückmeldung mit einer Messeinrichtung oder einer Anzeige (z. B. Skale bzw. örtliche Laufanzeige), die am Stellgerät montiert ist, realisiert wird, der Messwert jedoch nicht in weiteren Geräten (z. B. in separaten Wandlern oder hilfsenergielosen Reglern) weiterverarbeitet wird bzw. keine Fernübertragung in Schaltraum oder Prozessleitwarte bzw. örtlichen Leitstand stattfindet. Nichtelektrisch arbeitende Stellgliedrückmeldungen werden formal der Unterkategorie „eigensicher“ zugeordnet.
 
64
Zur Signalart „softwaremäßig“ bei analogen elektrischen Stellgliedrückmeldungen vgl. sinngemäß Fußnote 57!
 
65
Dieser Fall liegt dann vor, wenn an eine Stelleinrichtung per Feldbus (z. B. PROFIBUS) Stellsignale oder – z. B. mittels HART-Protokoll – Konfigurier- und Parametrierinformationen übertragen werden.
 
66
Im Gegensatz dazu ist der Fall, dass eine mit einem elektrischen Stellantrieb und einem elektrischen Stellungsregler ausgerüstete Stelleinrichtung über eine pneumatische Stellgliedrückmeldung verfügt, eher unwahrscheinlich und wird hier deshalb nicht betrachtet.
 
67
Erläuterungen in Fußnote 30 sowie im Anhang 1 beachten!
 
68
Erläuterungen in Fußnote 63, 64 bzw. 65) beachten!
 
69
Es werden hier ausschließlich rotierende pneumatische Antriebsmotoren betrachtet, weil nur solche Antriebsmotoren zum pneumatischen Antrieb von Arbeitsmaschinen für den Eingriff in Stoffströme relevant sind.
 
70
Gerätekategorie „SPS/PLS“ steht für speicherprogrammierbare Technik (Dazu auch Hinweis in Fußnote 53 beachten!).
 
71
Hinweis in Fußnote 54 beachten!
 
72
Hinweis in Fußnote 3 in Kap. 1 beachten!
 
73
Bei elektrischen Signalen wird in der Kategorie „Signalart“ zusätzlich zwischen „potentialgetrennt“ bzw. „nicht potentialgetrennt“ unterschieden.
 
74
Beispiele hierfür sind Analogbaugruppen mit 8 Analogeingängen und 8 Analogausgängen bzw. Baugruppen mit sowohl Analogein- bzw. -ausgängen als auch Binärein- bzw. -ausgängen auf derselben Baugruppe.
 
75
Als Beispiel vgl. z. B. [25].
 
76
Im Allgemeinen werden Regelalgorithmen in speicherprogrammierbarer Technik mittels Software realisiert. In bestimmten Fällen – z. B. bei Drehzahlregelungen mit Tastperioden im Millisekundenbereich – kann es jedoch unumgänglich sein, hierfür Spezialbaugruppen – im hier diskutierten Fall Reglerbaugruppen – einzusetzen.
 
77
Zum Anschluss von Signalen, die nicht dem in Abb. 3.75 in der Ebene „Signalart“ dargestellten Spektrum entsprechen (z. B. 0/48…125 VDC-, 0/120 VAC- bzw. 0/230 VAC-Signale), werden von den SPS- bzw. PLS-Herstellern Spezialbaugruppen angeboten (siehe oben).
 
78
Hierzu auch Hinweis in Fußnote 54 beachten!
 
79
Hinweis in Fußnote 3 in Kap. 1 beachten!
 
80
Gerätebeispiele sind analoge bzw. binäre elektropneumatische Wandler. Hiervon nicht erfasst sind Analog-/Digital- bzw. Digital/Analogwandler, weil sie hier nicht als eigenständige Geräte wie z. B. elektropneumatische Wandler sondern als Elemente von Baugruppen der Gerätekategorie „SPS/PLS“ betrachtet werden.
 
81
Beispiele derartiger Wandler sind Potentialtrennstufen, die den elektrischen Stromkreis des Eingangssignals galvanisch von dem des Ausgangssignals trennen.
 
82
Unterscheiden sich bei einem Wandler Art der Hilfsenergieversorgung von Eingangs- bzw. Ausgangssignal, so kann man das im weitesten Sinn als eine Art Potentialtrennung betrachten. Der als Synonym für den Begriff „galvanische Trennung“ in der Gerätetechnik verwendete Begriff „Potentialtrennung“ ist nur dann sinnvoll anwendbar, wenn sowohl Eingangs- als auch Ausgangssignale des Wandlers elektrische Signale sind. Strenggenommen ist seine Anwendung im betrachteten Fall daher überflüssig, wird aber dennoch beibehalten, um betrachtungskonform zu demjenigen Fall zu sein, bei dem sowohl Eingangs- als auch Ausgangssignale des Wandlers elektrische Signale sind.
 
83
Die Begriff „Eigensicherheit“ wird später im Zusammenhang mit den Ausführungen im Abschn. 5.​3 erläutert.
 
84
Auf dieser Basis lassen sich die im Abschn. 3.3.4.4 erläuterten Grob-EMSR-Stellenpläne generieren, die das Verständnis der angebotenen Lösung erheblich verbessern. Als hilfreiche Projektierungsunterlagen werden sie daher manchmal bereits beim Basic-Engineering erarbeitet.
 
85
Änderungen bzw. Ergänzungen sind dann erforderlich, wenn sich im Zeitraum zwischen Angebotsabgabe und Detailengineering Anforderungen des vom Auftraggeber erarbeiteten Lastenhefts geändert haben.
 
86
Nach dem Design-Freeze werden Änderungen für den Auftraggeber im Allgemeinen kostenpflichtig.
 
87
Zur Definition des Begriffs „PCE-Stelle“ vgl. Fußnote 42!
 
88
Der Grob-EMSR- bzw. -PCE-Stellenplan ist eine dem Übersichtsschaltplan (Bestandteil der Schaltungsunterlagen zur Erläuterung der Arbeitsweise elektrischer Einrichtungen) vergleichbare grafische Darstellung.
 
89
Der Fein- EMSR- bzw. -PCE-Stellenplan ist eine dem Stromlaufplan (Bestandteil der Schaltungsunterlagen zur Erläuterung der Arbeitsweise elektrischer Einrichtungen) vergleichbare grafische Darstellung.
 
90
In der Symbolgruppe „Anpasser“ wird zwischen Wandlern (Umformer, Umsetzer), Rechengliedern, Signalverstärkern, Signalspeichern und Binärverknüpfungen unterschieden. Symbole für Wandler, Rechenglieder, Signalverstärker und Signalspeicher nach DIN 19227 zeigt Abb. 3.84, bezüglich der Symbole für Binärverknüpfungen verweist DIN 19227 auf DIN EN 60617, Teil 12 [31].
 
91
Hinweis zu Abb. 3.90 bis Abb. 3.92: Zur Kategorisierung softwaremäßiger Anzeigen wird vorgeschlagen, neben Kennbuchstaben für die Verarbeitung zusätzlich auch Kennbuchstaben für die Prozessgrößen nach Abb. 3.24 bzw. Abb. 3.30 zu verwenden, auf die sich die Verarbeitung bezieht.
 
92
In der Projektierungspraxis wird diese Tätigkeit auch als „Einrichtung der Ortswelt“ bezeichnet.
 
93
Im weitesten Sinne ist somit auch die Ebene „Feld“ wie ein Aufstellungsort zu betrachten.
 
94
Anhang 6 zeigt hierzu ein verallgemeinertes Beispiel.
 
95
Die in das Schriftfeld des EMSR-Stellenplans eingetragene Ortskennzeichnung wird auch als „Blattort“ bezeichnet. Dabei kann auf die Angabe des Aufstellungsortes verzichtet werden.
 
96
Strompfade sind wie ein Koordinatensystem zu betrachten, mit dem Objekte auf dem Zeichnungsblatt lokalisiert werden können, was bei blattübergreifenden Querverweisen, wie sie z. B. bei der Darstellung von Potentialen auftreten, wichtig ist. Meist werden horizontale Strompfade mit Buchstaben, vertikale mit Zahlen bezeichnet.
 
97
Der Punkt nach dem Gleichheitszeichen wurde durch die entsprechende Angabe aus der übergeordneten Kennzeichnung ersetzt, die dem Zeichnungsblatt zugewiesen wurde (siehe entsprechende Markierung in Abb. 3.92).
 
98
Ohne die Allgemeinheit einschränken zu wollen, wird hier vorausgesetzt, dass bei der übergeordneten Kennzeichnung lediglich die letzten beiden Gliederungsstufen nach Abb. 3.93 verwendet werden.
 
99
Ein elektrisches Betriebsmittel ist nach DIN EN 81346 ein „Produkt, das zum Zweck der Erzeugung, Umwandlung, Übertragung, Verteilung oder Anwendung von elektrischer Energie benutzt wird, z. B. Maschinen, Transformatoren, Schaltgeräte oder Steuergeräte, Messgeräte, Schutzeinrichtungen, Kabel und Leitungen, elektrische Verbrauchsmittel“ [30].
 
100
Die Schreibweisen DIN 40719-2 bzw. DIN EN 82346-2 werden in Abb. 3.101 abkürzend für DIN 40719 (Teil 2) bzw. DIN EN 82346 (Teil 2) verwendet.
 
101
Die Dokumentation drahtloser Verbindungen wird im Rahmen des vorliegenden Buches nicht behandelt.
 
102
Die nachfolgenden Ausführungen gelten in analoger Form auch für pneumatische, hydraulische bzw. optische Leitungsverbindungen.
 
103
Es wird hier davon ausgegangen, dass es sich bei einer Klemmenleiste um ein Betriebsmittel handelt, auf das wahlweise elektrische, pneumatische, hydraulische bzw. optische Leitungsverbindungen aufgelegt werden können.
 
104
Diese Informationen sind in Klemmenplänen enthalten (vgl. Abschn. 3.3.4.4.3).
 
105
Abhängig von den Erfordernissen des jeweils zu bearbeitenden Projekts kann zusätzlich eine Aufteilung in vertikale Ebenen zweckmäßig sein.
 
106
DIN 40719 [27] ist zurückgezogen und teilweises durch DIN 6779 [28] ersetzt worden. Grundlegende Prinzipien der Unterlagenkennzeichnung bleiben aber weitgehend erhalten. Aus diesem Grund und weil darüber hinaus in der Praxis nach wie vor die Kennzeichnungssystematik nach DIN 40719 dominiert [26], stützen sich die Erläuterungen zum Prinzip der Unterlagenkennzeichnung auf DIN 40719.
 
107
Zum Begriff „speicherprogrammierbare Technik“ vgl. Fußnote 53!
 
108
Bei kombinatorischen binären Steueralgorithmen sind den Eingangskombinationen (Belegungen der Eingangsgrößen) eindeutig Ausgangskombinationen (Belegungen der Ausgangsgrößen) zugeordnet. Bei sequentiellen binären Steueralgorithmen ist dies jedoch nicht mehr gegeben – daher greifen sequentielle Steueralgorithmen zur Wiederherstellung der Eindeutigkeit auf innere Zustände als quasi zusätzliche Eingangsgrößen zurück.
 
109
Sensor B0 ist alternativ zur 2 aus 3-Auswahl einsetzbar und wird in den folgenden Entwurfsbeispielen nicht berücksichtigt, d. h. für den Entwurf der binären Steueralgorithmen sind nur die Sensoren B1, B2 und B3 relevant.
 
110
Die Verknüpfungsfunktion (binäre Schaltfunktion) ordnet jeder Belegung des Eingangsgrößenvektors (Eingangskombination) eindeutig eine Belegung des Ausgangsgrößenvektors (Ausgangskombination) unter Verwendung der booleschen Verknüpfungen UND, ODER bzw. NICHT zu.
 
111
Die Elementarkonjunktionen werden durch die konjunktive (UND-)Verknüpfung aller Eingangsgrößen, welche am Aufbau der Schalttabelle beteiligt sind, in ihren jeweiligen Belegungen (d. h. negiert bzw. nichtnegiert) gebildet.
 
112
Diese Forderung bedeutet, die Karnaugh-Tafel so aufzubauen, dass sich bei zeilenweisem bzw. spaltenweisem Übergang von einem Feld zum benachbarten nächsten nur eine einzige Eingangsgröße in ihrer Belegung ändert.
 
113
Eine Primkonjunktion (Primimplikant) Pi ist ein Term, welcher eine oder mehrere Elementarkonjunktionen „abdeckt“, d. h. eine oder mehrere Elementarkonjunktionen ersetzt [33].
 
114
Bezüglich Fachsprachen vgl. Abschn. 3.4.5, zum Begriff „Speicherprogrammierbare Technik“ vgl. Fußnote 53!
 
115
Eine Primkonjunktion Pi ist wesentliche Primkonjunktion, wenn sie als einzige Primkonjunktion in einer Elementarkonjunktion Ej enthalten ist. Pi muss dann in allen minimalen Normalformen auftreten ([33], [34]).
 
116
Mit dem hier zu entwerfenden Steueralgorithmus soll ein technologischer Ablauf realisiert werden. Daher werden derartige Steueralgorithmen auch als Ablaufsteuerung bezeichnet.
 
117
Das Schalten von Transitionen ist gleichbedeutend mit dem Eintreffen von Ereignissen, wodurch sich neue Prozesssituationen einstellen [36, 37, 38].
 
118
Weil der Nominalbetrieb betrachtet wird, braucht die Eingangsgröße x9, die für den irregulären Betrieb wichtig ist, nicht mit einbezogen zu werden.
 
119
Man umgeht dadurch beim Steuerungsentwurf das Einführen von Zuständen in der Steuereinrichtung, was gerade für Ungeübte häufig zu abstrakt und daher besonders problematisch ist [36, 37, 38].
 
120
Vereinfachend wurde in Abb. 3.132 der nach DIN 19226 [45] vor der Führungsgr. w befindliche Führungsgrößenbildner zur Wandlung der Zielgröße (z. B. Temperatur) in die mit der Rückführgröße r vergleichbare Führungsgr. w weggelassen.
 
121
Steller und Stellglieder bilden allgemein Stelleinrichtungen. Nur bei mechanisch betätigten Stellgliedern – z. B. Drosselstellgliedern (vgl. Abschn. 3.3.3.3) – sind Stellern Stellantriebe nachgeschaltet.
 
122
Der Proportionalbeiwert Kp wird landläufig auch „Reglerverstärkung“ genannt.
 
123
Erforderliche Kenntnisse zur Überführung von Differenzialgleichungen in Übertragungsfunktionen werden vorausgesetzt.
 
124
Erforderliche Kenntnisse zur Darstellung von Übertragungsfunktionen als Übertragungslieder werden vorausgesetzt.
 
125
Dabei ist zu beachten, dass in die statische Kennlinie nicht nur das statische Übertragungsverhalten der Durchflussregelstrecke eingeht, sondern auch das statische Übertragungsverhalten von Stell- sowie Messeinrichtung!
 
126
Die Behälterwandung wird hierzu gedanklich aufgetrennt und in eine ebene Fläche umgeformt. Diese Fläche entspricht der Wärmeaustauschfläche.
 
127
Erforderliche Kenntnisse zur Wärmelehre (Kalorimetrie bzw. Wärmeausbreitung) werden vorausgesetzt.
 
128
Erforderliche Kenntnisse zur Ableitung von Signalflussplänen aus Übertragungsfunktionen werden vorausgesetzt.
 
129
Die Schreibweise „(erweiterte) Strecke“ weist darauf hin, dass an der betreffenden Stelle sowohl die Strecke als auch die erweiterte Strecke (vgl. Abb. 3.132) gemeint ist!
 
130
Geeignetes Führungsverhalten: Die Rückführgröße r(t) (gemessene Regelgröße) folgt der Führungsgröße w(t) mit ausreichender Genauigkeit, und die bleibende Regeldifferenz verschwindet.
 
131
Vernünftiges Störverhalten: Die Rückführgröße r(t) (gemessene Regelgröße) wird möglichst wenig durch Störgrößen beeinflusst, und stationäre Störungen werden ohne bleibende Regeldifferenz ausgeregelt.
 
132
Laststörungen sind am Streckenausgang angreifende Störungen (vgl. Abb. 3.132).
 
133
Versorgungsstörungen sind am Reglerausgang (d. h. vor dem Übertragungsglied „Steller und ggf. Stellantrieb“, vgl. Abb. 3.132) oder auch (in Abb. 3.132 nicht dargestellte) am Streckeneingang sowie innerhalb der Strecke angreifende Störungen.
 
134
Um \(K_{{P_{S} }}\) bzw. \(K_{I}\) als im Allgemeinen einheitenlose Parameter bestimmen zu können, müssen Eingangssignal und Sprungantwort der (erweiterten) Strecke jeweils auf den Bereich 0…100 % normiert werden.
 
135
Es ist zu beachten, dass das Formelzeichen Δh hier die Überschwingweite, in Abb. 3.143 jedoch den Wertezuwachs bezeichnet, um den sich die Übergangsfunktion h(t) pro Zeiteinheit ändert.
 
136
Das Sprungexperiment findet im offenen Regelkreis statt, d. h. der Regler befindet sich im Handbetrieb, so dass die Reglerausgangsgröße yR(t) nicht durch den Regelalgorithmus sondern von Hand erzeugt wird! Die Größe \(y_{{R_{0} }}\) ist die Reglerausgangsgröße im Arbeitspunkt.
 
137
Nach [24] ist es in grober Näherung zulässig, in Abb. 3.142 bzw. Abb. 3.143 die Verzugszeit Tu als Totzeit Tt zu betrachten.
 
138
Prinzipiell kann das Verfahren auch angewendet werden, wenn die Übertragungsfunktion der erweiterten Strecke bekannt ist. Sofern der Regelkreis mit P-Regler aus systemtheoretischer Sicht die Stabilitätsgrenze erreichen kann, lassen sich die Kennwerte KPkrit. (kritische „Reglerverstärkung“) bzw. Tkrit. (kritische Periodendauer, d. h. Periodendauer der Dauerschwingung an der Stabilitätsgrenze) durch analytische Auswertung der charakteristischen Gleichung 1+GO(jω)=0 ermitteln, wobei GO(jω) der Frequenzgang des aufgeschnittenen einschleifigen Regelkreises ist.
 
139
Voraussetzung ist, dass der Regelkreis aus systemtheoretischer Sicht überhaupt die Stabilitätsgrenze erreichen kann, d. h. nicht jeder Regelkreis ist in der Lage, die erforderlichen Dauerschwingungen auszuführen.
 
140
Hierzu muss das dynamische Übertragungsverhalten der erweiterten Strecke qualitativ – z. B. aus Erfahrungswissen oder einer qualitativen theoretischen Prozessanalyse – bekannt sein.
 
141
Ist v >1 bzw. sind mehr als zwei dominierende oder keine dominierenden Zeitkonstanten vorhanden (Fußnote 142 beachten!), so lässt sich das Entwurfsverfahren im Allgemeinen nicht mit befriedigendem Ergebnis anwenden!
 
142
Eine Nennerzeitkonstante T1 ist im Vergleich zu einer anderen Nennerzeitkonstanten T2 dominierend, wenn T1>10T2 gilt!
 
143
Die Bildung der Summenzeitkonstanten wird in Beziehung (3-30) gleichzeitig für alle vier Streckentypen erläutert!
 
144
Die Bezeichnung MPS-PA (Modulares Produktionssystem – Prozessautomation) ist eine firmenspezifische Bezeichnung der Fa. Festo Didactic für die im Vertrieb befindliche neue Anlagengeneration zur Prozessautomatisierung.
 
145
Der Proportionalbeiwert der erweiterten Strecke kann auch aus ihrer statischen Kennlinie nach der Beziehung \(K_{{P_{S} }} = {\raise0.7ex\hbox{${\Delta r}$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta r} {\Delta y_{R} }}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${\Delta y_{R} }$}}\) bestimmt werden.
 
146
Die Vorgehensweise, Verzugszeit sowie Ausgleichszeit nach dem Verfahren von Strejc sowie auf dieser Basis die Reglerparameter mit den Bemessungsformeln nach Chien/Hrones/Reswick (vgl. Tab. 3.18) zu berechnen, soll hier fortan als Verfahren nach Strejc-Chien/Hrones/Reswick bezeichnet werden.
 
147
Konnte die Prozessanalyse als Information über die erweiterte Strecke lediglich Kennwerte wie z. B. Ausgleichs- bzw. Verzugszeit liefern, lässt sich der Regelkreis im Allgemeinen nicht simulieren, weil dazu Differenzialgleichung, Übertragungsfunktion, Frequenzgang oder Gewichts- bzw. Übergangsfunktion der erweiterten Strecke benötigt werden.
 
148
Wie in Fußnote 53 bereits erläutert, ist mit dem Begriff „Speicherprogrammierbare Technik“ SPS-Technik gemeint, die separat und/oder als integraler Bestandteil von Prozessleitsystemen eingesetzt wird.
 
149
Erläuterungen zu DIN EN 60848 sowie ein sich auf Abb. 3.153 beziehendes Beispiel sind im Anhang 7 enthalten.
 
150
Das Konfigurieren und Parametrieren auf der Prozessführungsebene wird oft auch als HMI-Konfiguration bezeichnet, wobei HMI als Abkürzung für Human Machine Interface steht.
 
151
Ausgewählte Befehle der Fachsprache „AWL“ sind im Anhang 8 aufgeführt.
 
152
Da die Fachsprache „CFC“ grundsätzlich wie die Funktionsbausteinsprache aufgebaut ist, sehen es die Autoren als gerechtfertigt und sinnvoll an, die von DIN EN 61131-3 nicht erfasste Fachsprache „CFC“ hier mit einzuordnen.
 
153
Symbolik und ausgewählte Symbole der Fachsprache „AS“ sind im Anhang 9 aufgeführt. Die Kenntnis der Funktionsweise einer Ablaufkette wird vorausgesetzt. Zur Vertiefung wird auf DIN EN 61131-3 [51] verwiesen.
 
154
An den Funktionsbaustein „ESV“ werden in diesem Beispiel keine Signale von anderen Funktionsbausteinen übergeben.
 
155
Vom Funktionsbaustein „ESV“ werden in diesem Beispiel keine Parameter an andere Funktionsbausteine übergeben.
 
156
Hinweis in Fußnote 153 beachten!
 
157
Der Einfachheit halber wird hier nur der Steueralgorithmus für den Nominalbetrieb (Normalbetrieb) betrachtet.
 
158
Um auch ein Beispiel zur Darstellung von Funktionsplänen nach DIN EN 60.848 anführen zu können, wird der mittels Ablaufsprache formulierte Steueralgorithmus nach Abb. 3.153 im Anhang 7 in der Symbolik von Funktionsplänen der Ablaufsteuerung nach DIN EN 60.848 dargestellt.
 
Metadata
Title
Kernprojektierung
Authors
Thomas Bindel
Dieter Hofmann
Copyright Year
2021
Book
Projektierung von Automatisierungsanlagen

Print ISBN: 978-3-658-33477-2

Electronic ISBN: 978-3-658-33478-9

Copyright Year: 2021

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-33478-9_3