Prozessautomatisierung und Leittechnik: Grundlagen und Betriebsmodi

Grundlagen der Prozesssteuerung

Störgrößen sind Variablen, die das System beeinflussen und nicht direkt manipuliert werden können.

Sensoren / Transmitter: Sie messen Prozessgrößen und/oder Störgrößen und senden ein entsprechendes Signal.

Stellglieder (Aktoren): Sie beeinflussen die Systemdynamik, d.h. sie bewirken Änderungen in der Ausgabe.

Antriebselemente: Dies sind Verstärker, die den Eingangswert in eine physikalische Aktion umwandeln.

Arten von Reglern

• Zwei-Punkt-Regler (Ein-Aus-Regler)
• Proportional-Regler (P-Regler)
• Proportional-Integral-Regler (PI-Regler)
• Proportional-Differential-Regler (PD-Regler)
• Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler)

Diskrete Fertigungsprozesse

Hierbei werden Produkte serienmäßig in identischen Einheiten gefertigt, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie oder bei der Herstellung von Keksen.

Kontinuierliche Prozesse

Diese Prozesse zeichnen sich dadurch aus, dass Produkte „lose“ (in großen Mengen) hergestellt werden. Sie sind durch die Bewegung und Lagerung von Flüssigkeiten, Gasen, Pasten und/oder Feststoffen gekennzeichnet, wobei sich deren physikalisch-chemische Bedingungen ändern können. Beispiele hierfür sind die Öl-, Gas- und Bergbauindustrie.

Pneumatische Instrumentierung

Feldtransmitter erzeugen ein pneumatisches Signal, das proportional zum Wert der Messgröße ist (typischerweise 0,2 bis 1 bar, wobei Druckluft als Medium dient). Dieses Signal wird zum Bedienfeld oder in den Kontrollraum übertragen, wo es von Anzeigen dargestellt wird. Das Stellglied ist in der Regel ein pneumatisch betätigtes Steuerventil, das über einen entsprechenden Kopf das Signal von der Zentrale empfängt.

Elektronische Instrumentierung

Die Entwicklung der elektronischen Instrumentierung führte zur Standardisierung des Sendesignals auf 4 bis 20 mA DC, obwohl auch andere Signalarten wie 0-10 Volt DC oder 10-50 mA DC verwendet wurden.

Regelungs- und Steuerungsphilosophie

Die Regelungsphilosophie definiert, wie eine Anlage oder ein Prozessleitsystem betrieben werden soll. Das Leitsystem umfasst alle Sensoren, Transmitter, Regler, Antriebe usw. und ermöglicht über die Bedienerstation die Visualisierung und Steuerung der Prozessvariablen.

Struktur der Automatisierung und Überwachung

Für die Steuerung und Überwachung der Anlage werden folgende Funktionen bereitgestellt:

• Sequenzielle Steuerung und Betätigung.
• Betriebsüberwachung.

Alle Aktionen und sequenziellen Steuerungsbefehle werden von einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ausgeführt. Die Überwachung und Anzeige von Informationen erfolgt über eine PC-basierte Bedienerstation mit spezieller Software. Die Interaktion mit dem Prozess erfolgt über grafische Prozessbilder (Mimik-Bildschirme).

Betriebsebenen

Die Steuerung ermöglicht den Betrieb auf zwei Ebenen, die wiederum die Art der Nutzung definieren:

• Fernsteuerung (Leitwarte)
• Lokal (Feldstation)

Die Steuerung muss einen sicheren Betriebszustand für Personal und Ausrüstung gewährleisten. Unter keinen Umständen dürfen die Bediener auf einer der Betriebsebenen die Kontrolle über den Gerätebetrieb verlieren, unabhängig von der gewählten Ebene.

Details zu Betriebsmodi

Sequenzielle Steuerung und Betätigung

Bezieht sich auf die Start- und Stopp-Aktionen einzelner Anlagenteile sowie deren funktionale Beziehungen innerhalb des Werks.

Lokaler Betrieb

Diese Betriebsart bedeutet, dass die Anlage von der Feldstation aus bedient werden muss.

Fernbetrieb

Diese Betriebsart bedeutet, dass die Anlage von der Bedienerstation in der Leitwarte aus bedient wird. Der Fernbetrieb kann wiederum in zwei Modi erfolgen: automatisch und manuell.

Automatischer Modus

In diesem Modus wird die Anlage von der Leitwarte aus gesteuert. Mit einem Minimum an Bedieneraktionen werden alle in Betrieb genommenen Anlagenteile gemäß den im Reglerprogramm definierten Prozessbedingungen kontrolliert.

Manueller Modus

In diesem Betriebsmodus wird der Betrieb der einzelnen Anlagenteile manuell und individuell durchgeführt, wobei im Wesentlichen nur deren eigene Betriebsbedingungen berücksichtigt werden.

Auswahl der Betriebsarten

Die Auswahl dieser Betriebsarten kann über die Tastatur der Bedienerstation und über einen Drei-Stellungs-Wahlschalter an den Feldstationen erfolgen.

Anzeigen und Befehle für den Betrieb

Befehle und Anzeigen für den Betrieb werden an jeder Bediener- und Feldstation bereitgestellt und ermöglichen die Steuerung von Maschinen unter verschiedenen Betriebsarten.

Signalverbindung und -verarbeitung

Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) bildet die Grundlage für die sequenzielle Durchführung der Regelalgorithmen und für das gleichzeitige Senden und Empfangen von Signalen von allen Feldgeräten, einschließlich des Motor Control Centers.

Prozessvariablen

Unabhängige Variablen (Störgrößen)

Dies sind Variablen, die das System beeinflussen und nicht direkt manipuliert werden können.

Abhängige Variablen (Regelgrößen)

Dies sind Variablen, die gemessen und kontrolliert werden können.