Prozessautomatik: Grundoperationen, Regelung und Instrumentierung

Kompetenzziel Nr. 12 verlangt, dass der Auszubildende auf Basis eines grundlegenden Wissens über verfahrenstechnische Grundoperationen, Regelungstechnik und Instrumentierung automatische Industrieanlagen aufbauen, in Betrieb nehmen, warten, reparieren und optimieren kann. Das ist ein Fachgebiet, das sich etwas von der eher stückweisen Maschinenautomatik unterscheidet: Hier geht es darum, einen zusammenhängenden Prozess — etwa Erwärmung, Mischung, Destillation oder Reinigung — über die Zeit stabil zu halten.

Eine Grundoperation ist ein grundlegender, abgegrenzter Schritt in einem Produktionsprozess — zum Beispiel Erwärmen, Kühlen, Mischen, Trennen oder das Fördern von Flüssigkeit. Eine ganze Prozessanlage, ob sie Lebensmittel, Arzneimittel oder Energie produziert, ist typischerweise aus einer Reihe solcher Grundoperationen aufgebaut, die miteinander verbunden sind. Die Aufgabe des Automatisierungstechnikers ist es zu verstehen, was jede einzelne Grundoperation an Steuerung verlangt und wie sie zusammenspielen, damit der gesamte Prozess ohne Engpässe oder Instabilität läuft.

Ein früherer Artikel über die Geschichte der Automatisierungstechnik hat die Rückkopplung als Grundidee des Fachs eingeführt: messen, vergleichen, regeln. In einer Prozessanlage ist die verbreitetste Ausprägung dieses Prinzips die PID-Regelung, bei der die Steuerung drei Anteile kombiniert — den proportionalen (P), der auf die Abweichung selbst reagiert; den integrierenden (I), der mit der Zeit eine anhaltende, kleine Abweichung beseitigt; und den differenzierenden (D), der darauf reagiert, wie schnell sich die Abweichung ändert. Ein gut eingestellter PID-Regler hält zum Beispiel eine Temperatur stabil, selbst wenn sich die Belastung des Prozesses unterwegs ändert.

• 01P (proportional) — reagiert proportional zur Abweichung selbst
• 02I (Integral) — beseitigt eine anhaltende, kleine Abweichung über die Zeit
• 03D (Differential) — reagiert auf die Geschwindigkeit, mit der sich die Abweichung ändert
• 04Zusammen: PID-Regelung, die einen Prozess bei wechselnder Belastung stabil hält

Um etwas regeln zu können, muss man es zuerst zuverlässig messen können. Die Instrumentierung umfasst die Transmitter und Messgeräte, die eine physikalische Größe — Druck, Füllstand, Durchfluss, Temperatur — in ein Signal umsetzen, das die Steuerung nutzen kann. Die Qualität der Instrumentierung setzt eine Grenze dafür, wie gut der Prozess überhaupt geregelt werden kann: Ein ungenauer oder driftender Sensor ergibt eine ungenaue Regelung, egal wie gut die PID-Einstellung selbst ist.

Prozessautomatik findet sich breit in der dänischen Industrie: in der Lebensmittelproduktion, wo Hygiene und präzise Temperaturführung kritisch sind, in der Pharmaindustrie, wo die Anforderungen an Dokumentation und Rückverfolgbarkeit hoch sind, und im Energie- und Versorgungssektor, wo der stabile Betrieb etwa von Fernwärmeanlagen gesellschaftskritisch ist. Ihnen allen ist gemeinsam, dass der Automatiktechniker dieselbe grundlegende Regelungstechnik aufbauen, darin Fehler suchen und sie optimieren können muss — nur eben angepasst an den konkreten Prozess.