Fortschrittliche Prozessleitsysteme für industrielle Effizienz

Prozess und Prozessleittechnik

Prozess: Operation, die Ressourcen nutzt, um Inputs in Outputs zu transformieren. Ressource liefert Transformationsenergie. Industriell: Methoden zur Umwandlung/Veredlung von Rohstoffen (fest, flüssig, gasförmig, fluid, Suspension) zu Endprodukten mit definierten Eigenschaften. Währenddessen: Transport, Messen, Mischen, Heizen/Kühlen, Filtern, Lagern, Handhaben. Physikalisch-chemische Veränderungen. Jeder Prozess zeigt spezifisches dynamisches (zeitvariables) Verhalten – bestimmt durch Eigenschaften von Inputs, Ressourcen, Prozess.

Definition und Ziel der Prozessregelung

Methoden zur Kontrolle von Prozessvariablen (Inputs, Parameter, Outputs). Akt: Endstellglied ändert Stellgröße → Regelgröße auf Sollwert. Ziele:

• Variabilität reduzieren → Produktqualität, Produktionsraten, Prozesseffizienz
• Umweltschutz, Arbeitssicherheit, Anlagensicherheit

Voraussetzung: Vorhersagbares Prozessverhalten. Gegebene Stellgrößenänderung → konsistente, vorhersagbare Regelgrößenantwort.

Ziele eines Prozessleitsystems

1. Qualitätssicherung: Parameter in engen Grenzen → konstante Produktspezifikationen. Ohne Regelung: Qualitätsstreuung, Ausschuss.
2. Sicherheit: Personal, Anlage, Umwelt.
3. Maximale Anlagenproduktivität/Produktion.
4. Rohstoff-, Energie-, Hilfsstoffverbrauch innerhalb Sollvorgaben.
5. Produktionskosten unter Kontrolle (Umweltrestriktionen) ohne Kompromisse bei Sicherheit/Qualität.

Störungen und Stabilität

Prozess soll in Sollparametern arbeiten = stabiler Betrieb. Abweichungen = Störungen (unkontrollierte Inputänderungen: Zufuhrzustand, Versorgungsdruck/-temperatur, Katalysatoraktivität, Wärmeübergang). Störungen → Regelgrößenabweichungen → Instabilität.

Prozessvariablen (4 Typen)

• Eingangsgrößen: Reizen System unabhängig → ändern interne Zustände. Stör- oder Stellgrößen.
• Ausgangsgrößen: Liefern Bediener Information über internen Zustand.
• Stellgrößen: Werden vom Bediener/Regler manipuliert zur Prozessführung.
• Zustandsgrößen: Minimale Variablenmenge zur vollständigen Beschreibung des internen Prozesszustands.

Überwachung, Regelung, Instrumentierung

Bediener überwacht Prozesskennwerte (Messung). Instrumente: Sensoren, Messumformer, Regler, Endstellglieder.

• Sensoren (Sinnesorgane): Messen Temperatur, Füllstand, Durchfluss, Zusammensetzung (Thermopaare, Differenzdruck, Gasanalysatoren).
• Messumformer (Nerven): Signalübertragung (pneumatisch, elektrisch).
• Regler (Gehirn): Pneumatisch, elektronisch, digitale Rechner.
• Endstellglieder (Muskeln): Regelventile, Pumpen, Verdichter, Förderer, Relais.

Gründe für Regelung

1. Regelgröße bei Störungen auf Sollwert halten.
2. Auf Sollwertänderungen reagieren (neue Betriebsziele).

Sollwerte = Werte für stabilen, wirtschaftlichen, sicheren, umweltverträglichen Betrieb.

Einflussfaktoren und Qualitätsanforderungen

• Anlagen-/Apparateauslegung bestimmt Regelbarkeit und dynamische Performance.
• Instrumente/Prüfmittel: periodisch, korrekt kalibriert (Rückführung auf nationale Normen).
• Sensoren: richtig, schnell, kapazitätsgerecht.
• Manuelle oder automatische Regelung (meist elektronisch: Strom/Spannung als Signal).

Gute Prozessregelung

• System responsiv: Regelgröße reagiert schnell auf Stellgrößenänderung.
• Wenige Störungen.
• Messbarkeit als Voraussetzung für Beherrschbarkeit → Sensorposition/-auswahl kritisch.
• Sensoren: schnell, zuverlässig, ausreichend genau.