Prozessleittechnik und Industrial IoT (PLT)

In Anlagen der Chemie-, Pharma- und Nahrungsmittelindustrie gibt es eine  große Zahl von Sensoren und Aktoren, um die verfahrenstechnischen Prozesse zu steuern und zu überwachen. 

Die Prozesse werden von Prozessleitsystemen (PLS) gesteuert. Sie bestehen aus mehreren prozessnahen Komponenten, die wie SPSen in Echtzeit Sensordaten auswerten und die Aktoren (Motoren, Ventile, Regler etc.) ansteuern. Außerdem besitzen Prozessleitsysteme Anzeige- und Bedienstationen, die dem Anlagenfahrer Prozesszustände auf einen Blick anzeigen und durch manuelle Eingriffsoptionen eine effiziente Prozessführung ermöglichen.

Durch die elektronische Vernetzung von Prozessleitsystemen mit Produktions-planungssystemen (z.B. SAP-Systemen) wächst die automatisierungstechnische und betriebswirtschaftliche Welt zusammen, denn alle Systeme können auf gemeinsame Daten zugreifen. Das PLS ist dabei das Bindeglied, das wie die Wurzel eines Baumes die Prozessinformation von den Sensoren und Aktoren in der Fabrik aufnimmt und diese andererseits an übergeordnete Managementsysteme zur Ressourcen- und Produktionssplanung sowie zurQualitätssicherung und Instandhaltung zur Verfügung stellt. 

Die Vorlesung gibt zunächst einen Überblick über wichtige verfahrenstechnische Apparate und Prozesse und behandelt dann den Systemaufbau von Prozessleitsystemen und ihren Einsatz beim Betrieb von verfahrenstechnischen Anlagen. Zentraler Gegenstand ist die ingenieurmäßige Vorgehenesweise bei Planung, Realisierung und Inbetriebnahme solcher Anlagen.

1. Einführung
   1.1 Aufbau von Prozessleitsystemen [1,2]
      1.1.1 Prozessnahe Komponenten  
      1.1.2 Anzeige- und Bedienkomponenten
   1.2 Industrial IoT

2. Verfahrenstechnische Apparate und Prozesse [3,7,8]
   2.1 Transport von Flüssigkeiten und Gasen
      2.1.1 Druckerzeugung durch Pumpen
      2.1.2 Fluidsteuerung durch Ventile
      2.1.3 Auslegung von Stellventilen
      2.1.4 Auslegung von Pumpen
 
2.2 Transport von Feststoffen  
 2.3 Zerkleinern von Feststoffen
 2.4 Mischen  
 2.5 Heizen und Kühlen 
    
2.5.1 Mantelheizung
     2.5.2 Wärmetauscher
     2.5.3 Kühlturm
 2.6 Mechanische Trennverfahren
     2.6.1 Vibrationssiebbahn
     2.6.2 Schlauchfilter
     2.6.3 Zentrifuge  
 2.7 Thermische Trennverfahren
    
2.7.1 Trocknung
     2.7.2 Kristallisation  
     2.7.3 Destillation
     2.7.4 Rektifikation
 2.8 Physikalisch-chemische Trennverfahren  
     2.8.1 Extraktion
     2.8.2 Ionenaustauschkolonnen
 2.9 Gasreinigung
     2.9.1 Elektrofilter
     2.9.2 Absorption
     2.9.3 Adsorption
3. Steuerung und Regelung verfahrenstechnischer Prozesse
   3.1 Regelung kontinuierlich betriebener Anlagen [4,5]
      3.1.1 Regelung von Temperatur
      3.1.2 Regelung von Füllstand
      3.1.3 Regelung von Durchfluss
      3.1.4 Regelung von Druck
      3.1.5 Regelung von Analysewerten
      3.1.6 Kaskadenregelung
      3.1.7 Split-Range-Regelung
      3.1.8 Verhältnisregelung
      3.1.9 Umsatzregelung
      3.1.10 Kolonnenregelung
   3.2 Batch Control: Flexible Ablaufsteuerung durch Rezeptfahrweise 
      3.2.1 Entwurf von Rezeptsteuerungen
      3.2.2 Objektorientierte Programmierung des Prozessmodells
      3.2.3 Objektorientierte Programmierung des Anlagenmodells
      3.2.4 Ausführung von Steuerrezepten
4. Digital Engineering in der PLT
   4.1 Projektierung in der Cloud
      4.1.1 CAE-Systeme 
      4.1.2 Gute Engineering-Praxis 
      4.1.3 Digitaler Zwilling 
   4.2 Prozess- und anlagentechnische Planung [3,6]
       4.2.1 Grund- und Verfahrensfließbild
       4.2.2 R+I-Fließbild, PLT-Stellenplan und –stellenblatt
       4.2.3 Automatisierungstechnisches Lastenheft
       4.2.4 Automatisierungstechnisches Pflichtenheft
   4.3 Realisierung des Automatisierungssystems 
       4.3.1 Automatische Codegenerierung 
       4.3.2 Cloud Engineering 
       4.3.3 Virtuelle Inbetriebnahme 
   4.4 Inbetriebnahme und Qualifizierung 
       4.4.1 Installationsprüfung 
       4.4.2 Funktionsprüfung 
       4.4.3 Produktionsprüfung 
   4.5 Wartung und Instandhaltung
      4.5.1 Condition Monitoring mit Hilfe des digitalen Zwillings 
      4.5.2 Change Management
      4.5.3 Fernwartung
5. Safety und Security in der Industrie 4.0 
   5.1 Einrichtungen zur Anlagensicherung (EzA)
   5.2 Explosionsschutz
     5.2.1 Explosionsursachen
     5.2.2 Zündschutzarten
     5.2.3 Eigensichere Ansteuerung durch das PLS
   5.3 IT-Security
     5.3.1 Analyse von Schwachstellen
     5.3.2 Schutzmaßnahmen
6. Industrial IoT in der Prozessautomatisierung
   6.1 Horizontale Vernetzung Cyber Physical Systems
      6.1.1 Vernetzung mit Industrial Ethernet
      6.1.2 Werkzeuge zur Netzwerkintegration
      6.1.3 Datenaustausch zwischen SPSen
    6.2 Vertikale Vernetzung in die Cloud
      6.2.1 Interoperabilität durch OPC-UA
      6.2.2 MQTT zur Anbindung von Kleingeräten an die Cloud
      6.2.3 Plattformunabhängige Webvisualisierung
    6.3 Betriebsdatenauswertung und Cloud Services
      6.3.1 Betriebsdatenerfassung
      6.3.2 Betriebsdatenauswertung
      6.3.3 Asset Management
      6.3.4 Qualitätsmanagement
    6.4 Automatisierte Produktionsplanung und -steuerung
      6.4.1 Produktionsplanung durch Enterprise-Ressource-Planning
      6.4.2 Produktionssteuerung in Manufacturing Execution Systems
      6.4.3 Logistic Execution Systems
      6.4.4 Supply Chain Management
7. Zusammenfassung

Die Kapitel 3.2, 4, 5, 6 sind ausführlich beschrieben in:
M. Seitz: "Speicherprogrammierbare Steuerungen in der Industrie 4.0", Hanser Verlag, 2021.

Die Lehrveranstaltung Prozessleittechnik besteht aus einem Vorlesungsmodul, in dem Aufbau und Funktionsweise von Prozess- und Betriebsleitsystemen, Steuerung und Regelung verfahrenstechnischer Prozesse sowie das Engineering in der Prozessleittechnik behandelt werden. Außerdem bearbeiten die Studierenden ein Laborprojekt, in dem die Rezeptsteuerung für eine pharmazeutische Anlage zu entwerfen und objektorientiert zu programmieren ist.  

Das dritte Modul der Lehrveranstaltung ist ein Seminar. Hierfür bearbeiten die Studierenden in Gruppen ein aktuelles Thema der Prozessleittechnik, das die Inhalte der Vorlesung ergänzt. Bei den meisten Seminararbeiten besteht die Möglichkeit, das Thema an folgenden realen Systemen und Anlagen in der Verfahrenshalle der Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik und im Labor für Automatisierungstechnik zu veranschaulichen:

  • Sprühwirbelschichtanlage automatisiert durch eine S7-Steuerung
  • Destiallationskolonne automatisiert durch das Prozessleitsystem PCS7
  • Verfahrenstechnische Abwassertrennanlage automatisiert durch das Prozessleitsystem Freelance
  • CAE-System Prodok zur Anlagenplanung
  • Hochregallager zur Steuerung logistischer Abläufe mit einer S7 im TIA-Portal