Stand und Entwicklungstendenzen der CAD-Anwendungen in der Anlagenplanung

- BLoCKSCHALTEILoER - VERFAHRENSFLlESSElLOER - RI-FLIESSEILOER - KONZESSIONSFLIESSEILOER

- VORTRAGSFOLIEN - EUSINESSGRPFIK - WERKSKARTOGRAPHIE

Werner Bender und Hans Wolski*

Herrn Professor Dr.-Ing. Hans Schlachter zum 60. Geburtstag

Das Planen von Chemieanlagen ist ein komplizierter ProzeD, bei dem viele Disziplinen zusammenwirken. Die Rahmenbedingungen fur diesen ProzeD haben sich in den letzten Jahren immer schneller verandert. Chemieanlagen werden standig komplexer, der Zwang zur Optimierung immer grokr. Hohere Anforderungen an die Sicherheit, den Umweltschutz, die Dokumentation sowie behordli- che Auflagen vergroRern den Planungsaufwand und den Planungs- zeitraum zusatzlich. Diese Entwicklungstendenzen sowie die iiberproportional steigen- den Personalkosten fuhren zu einem zunehmenden Kosten- und Termindruck, der sich nur durch Rationalisieren in vertretbaren Grenzen halten la&. Vor diesem Hintergrund hat die Anlagenpla- nung der Hoechst AG ein CAD-System eingefuhrt. Der Installation des Systems im Juni 1982 ging eine sorgfdtige Vorplanung voraus. Ein Ergebnis dieser Vorplanung war eine im wesentlichen an Wirtschaftlichkeitsiiberlegungen orientierte, risikominimierte Ein- fuhrungsstrategie [ 11. Die wesentlichen Forderungen an diese Einfuhrungsstrategie lauten : 1. Das System sollte moglichst von Anfang an wirtschaftlich arbeiten. 2. Der Einstieg in das CAD sollte anwendungstechnisch, organisa- torisch und datentechnisch einfach sein. 3. Das CAD-System sollte zukunftsorientiert sein. 4. Die Ergonomie des Systems sollte einwandfrei sein. Da fur das erfolgreiche Einfuhren eines CAD-Systems vielfaltige, kompliziert miteinander verkniipfte Einzelaktivitaten erforderlich sind, erwies es sich als niitzlich, einen Rahmenplan aufzustellen, der als Orientierungshilfe dafiir sorgt, daB die Einzelaktivitaten zu einem geordneten Ganzen zusammenwachsen und langfristige Entwick- lungsziele nicht aus den Augen verloren werden. Dieser Rahmenplan enthalt unter anderem die Definition einer Schrittfolge fur die Systemeinfuhrung (Abb. 1). Der erste Schritt umfaDt das Zeichnen und ist in die Teilschritte ,,Erstellen von schematischen Zeichnungen" und ,,Erstellen von Konstruktions- zeichnungen"eingetei1t. Der zweite Schritt enthalt unter anderem das Aufbauen, Verwalten und Auswerten von zeichnungsorientierten Datenbanken.

- KURZSCHLUSS- - AWSTELLUNGSpLAENE EERECHNUNGEN - EIN- UNo AUSEAUSTUOIEN - STATISCHE EERECH-

- EWZEICHNUNGEN - ORGANISATION EINES - VARIANTENKONSTRUKTION INTEGRIERTEN OATEN

- APPARATEKONSTRUKTION - UND ANOERES MEW

NUNGEN

FLUSSES

1 Stand der CAD-Anwendungen in der Anlagenplanung

Insbesondere der erste Teilschritt, das Erstellen schematischer Zeichnungen, erfdlt die obengenannten Forderungen an die Einfuhrungsstrategie sehr gut. Bei der Planung von Chemieanlagen fallen in diesen Teilschritt insbesondere das Erstellen von Verfahrens- und RI-FlieDbildern (Abb. 1). Diese Tatigkeiten zeichnen sich besonders dadurch aus, daD sie weitgehend schematisierbar sind. So kann fast ausschlieDlich auf eine begrenzte Zahl von standardisierten Elementen in einer vordefinierten Bibliothek zuriickgegriffen wer- den. CAD-Systeme konnen solche Arbeitstechniken optimal unter- stiitzen. Die Konzentration auf dieses eng begrenzte und als wirtschaftlich erkannte Arbeitsgebiet hatte zur Folge, daD bereits 6 Wochen nach der Systeminstallation FlieDbilder unter Produktionsbedingungen erstellt werden konnten, obwohl in dieser Zeit viele EDV-iibliche Schwierigkeiten auftraten, die Systemkenntnisse noch sehr klein waren und das Bildschirm-Bedienungspersonal ausgebildet werden muDte.

* Dip1.-Ing. W. Bender und Dip].-Ing. H. Wolski, Hoechst Aktienge- sellschaft, Anlagenplanung, 6230 Frankfurt/M. 80.

Inzwischen verwaltet das CAD-System iiber 500 Verfahrens- und RI- FlieDbilder mit durchschnittlich 3 Revisionen. Zur Zeit befindet sich das System in einer Konsolidierungsphase. Diese Phase ist gekenn- zeichnet durch das Sammeln von Routine, das Verbessern des Ausbildungsstandes des Bedienungspersonals, das Verbessern des gegenwartig fur die Produktion angewendeten Arbeitsablaufs in

ZEICHNUNGSORIENTIERTE OATENEANKEN UNO ECHNISCHE EERECHNUNGE

- MATERIALAUSZUEGE 1. TEILSCHRITT

KONSTRUKTIONS- ZEICHNU" - FE-EERECHNUNGEN

Abb. 1. Tatigkeiten und Einfuhrungsschritte fiirdasCAD-System.

anwendungstechnischer, EDV-technischer und organisatorischer Hinsicht und das Uberpriifen des Rahmenplanes sowie das Vorberei- ten neuer Aufgabengebiete.

2 Die Wirtschaftlichkeit des CAD-Systems

In der Anfangsphase bestand das CAD-System aus vier graphischen Arbeitsplatzen, einem Zentralrechner, 2 x 300 MB-Plattenspeicher und einem elektrostatischen Plotter. Der Umfang dieser Konfigura- tion wurde maBgeblich von Wirtschaftlichkeitsiiberlegungen be- stimmt. So konnte z. B. gezeigt werden, daR ein CAD-System mit denim Pflichtenheft festgelegten Eigenschaften mindestens 4 graphi- sche Arbeitsplatze haben muD, wenn es wirtschaftlich arbeiten soll. Inzwischen wurde die Wirtschaftlichkeit des CAD-Systems fur die bereits produktionsmaBig bearbeiteten Aufgabenstellungen in einer vergleichenden Studie nachgewiesen. Wie vorhergesagt, konnte ge- zeigt werden, daR das CAD-System bereits bei der Ersterstellung von Verfahrens- und RI-FlieRbildern rnit anderen Herstellungsprakti- ken, insbesondere mit der Vergabe an Fremdfirmen, konkurrieren kann. Dariiber hinaus verbessert sich die Wirtschaftlichkeit des CAD- Systems fortwahrend durch den zunehmenden Umfang des h d e - rungsdienstes und infolge der Kostendegression, die durch das VergroDern der Anzahl der graphischen Arbeitsplatze und/oder Mehrschichtbetrieb erreicht wird. Infolge der Kostendegression werden auf dem CAD-System in Zukunft auch Arbeiten ausgefiihrt werden konnen, die bisher nicht wirtschaftlich durchfiihrbar waren.

3 ErschlIeBen neuer Arbeitsgebiete

Voraussetzung fur die Vergrokrung des CAD-Systems ist allerdings, daB geniigend wirtschaftlich ausfuhrbare Arbeit vorhanden ist . Diese Voraussetzung kann grundsatzlich auf zwei verschiedenen Wegen geschaffen werden : 1. Es kann mehr Arbeit der gleichen Art beschafft werden, und 2. es konnen neue Arbeitsgebiete erschlossen werden. Dies geschieht um so leichter, als infolge der oben erwahnten Kostendegression eine vergroBerte CAD-Anlage einem nicht mehr so harten Kostendruck ausgesetzt ist. Beide Moglichkeiten sollen konsequent beschritten werden. So werden zum Beispiel in steigendem Umfang die FlieDbilder der Produktionsanlagen auf dem CAD-System gepflegt . Damit erhalt das CAD-System die notwendige Grundlast und den finanziellen Spielraum, der die Entwicklung weiterer Aufgabengebiete weitge- hend risikolos zuliaDt. Mit den bisher erarbeiteten Funktionen lassen sich ohne nennenswer-

Chem.-1ng.-Tech. 56 (1984) Nr. 5, S. 395-397 0 Verlag Chemie GmbH, D-6940 Weinheim 1984 oooS-286X/84/0505-0395$02.50/0

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ten zusatzlichen Entwicklungsaufwand alle Arbeiten des ersten Teilschrittes (Abb. 1)mitdemCAD-System kostengiinstig ausfiihren. Als zusatzliche neue Aufgabenstellungen bieten sich insbesondere die Arbeiten des 2. Teilschrittes an. Eine Weiterentwicklung in diese Richtung weist insbesondere folgende Vorteile auf : 1.

2.

3.

4. 5.

- Es wird ein groRes zusatzliches Arbeitsgebiet erschlossen. Allein das Zeichnen von Aufstellungsplanen stellt schatzungsweise ein zusatzliches Arbeitspotential von 30% dar. Die Aufgabenstellungen des zweiten Teilschrittes sind rnit denen des ersten Teilschrittes verwandt. Die fur die produktionsmaflige Ausfuhrung dieser Aufgabenstel- lungen notwendigen Hard- und Software-Komponenten sind auf dem Markt in zufriedenstellender Qualitat erhaltlich, so darj sich der eigene Entwicklungsaufwand iiberblicken 1aI3t. Kosten und Nutzen lassen sich hinreichend genau abschatzen. Die Aufgaben dieses Teilschrittes sind dem Kenntnisstand des Personals angepaBt .

Die wichtigsten-Arbeitsgebiete des zweiten Teilschrittes sind das Erstellen von Aufstellungsplanen und Bauplanen. Die ubrigen Aufgabengebiete lassen sich daraus ableiten. Aufstellungsplane und Bauplane sind fur CAD-Systeme sehr erfolgversprechende Aufgabengebiete, weil die von den CAD- Systemen angebotenen Hilfsmittel die Losung der besonderen Probleme dieses Arbeitsgebietes optimal unterstutzen. Die Grundformen der Aufstellungsplane werden in der Anlagenpla- nung erstellt und in einer ganzen Reihe von anderen Fachabteilungen in mehr oder weniger veranderter Form weiterverwendet. So konnen rnit Hilfe des CAD-Systems z. B. kostengunstig Motorplane, Kabelplane und alle fur den Bau des Gebaudes notwendigen Bauplane abgeleitet und vor allem aufeinander abgestimmt werden. Die optimale Losung fur diese Aufgabenstellung ist das rechnerge- stutzte 3-D-Anlagenmodell. Dieses Konzept kommt der naturlichen Denkweise des Konstrukteurs entgegen. Der Konstrukteur kann interaktiv Apparate dreidimensional modellieren und die Apparate interaktiv in ein dreidimensional dargestelltes Gebaude einbauen. Diese Arbeitsweise ist sehr gut rnit dem Bauen eines Anlagenmodells im Modellbau zu vergleichen. Das Konzept fur das Erstellen von Aufstellungs- und Bauplanen rnit Hilfe eines dreidimensionalen rechnergestiitzten Anlagenmodells wird folgende Grundstruktur haben: 1. Schritt : Interaktives dreidimensionales Modellieren der Apparate am graphischen Bildschirm. Das Tutorial fur einen Behalter in Abb. 2 zeigt, wieeinfach und schnell dies moglichist. Mit demCursor werden lediglich die einzelnen Parameter angefahren und die zugehorigen Zahlen eingetippt. Der Rechner konstruiert dann den entsprechen- den Behalter durch Varianten-Konstruktion und zeigt das Ergebnis sofort am graphischen Bildschirm. 2. Schritt : Interaktives dreidimensionales Erzeugen des Gebaudes. Das Gebaude kann aus einfachen Bauelementen, entsprechend dem im Schritt 1 erlauterten Verfahren, modelliert werden. 3. Schritt : Interaktives Plazieren der Apparate in das Gebaude. Das Ergebnis dieses Schrittes ist in Abb. 3 dargestellt. Diese Abbildung zeigt auch die Kollision einer Rohrleitung rnit einem Trager. 4. Schritt : Interaktives Definieren der benotigten zweidimensionalen Plane am graphischen Bildschirm. 5. Schritt : Der Rechner leitet aus dem dreidimensionalen Anlagen- modell automatisch im Batch die geforderten zweidimensionalen Aufstellungsplane ab. 6. Schritt : Der Anderungsdienst setzt am dreidimensionalen Modell an. Dieses Konzept weist die folgenden Vorteile auf: I . Die Arbeitstechnik ist optimal an die Bedurfnisse des Konstruk-

teurs angepaI3t . Der Konstrukteur selbst entwickelt und uberpruft das Anlagenmodell interaktiv am graphischen Bildschirm. Die zeitaufwendige und fehlerhafte Informationsubermittlung an Dritte entfallt. Die kreativen und konstruktiven Tatigkeiten werden vom Konstrukteur ausgefuhrt.

2. Alle zweidimensionalen Plane werden automatisch und richtig aus dem dreidimensionalen Anlagenmodell vom Rechner abgeleitet . Die Routine-Arbeiten erledigt der Rechner.

3. Der Anderungsdienst setzt wieder am dreidimensionalen ,,Mei- ster-Modell" an. Die Konsequenzen der Anderungen auf die zweidimensionalen Plane werden vom Rechner automatisch berucksichtigt und sind deshalb fehlerfrei.

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Abb. 2. Bildschirm.

An dieser Stelle sol1 darauf hingewiesen werden, daI3 dieses Konzept die herkommliche Vorgehensweise beim Erstellen von Aufstellungs- und Bauplanen umkehrt . Zur Zeit werden zuerst zweidimensionale Schnitte und Risse entworfen. Daraus entwickelt der Konstrukteur im Kopf ein dreidimensionales ,,virtuelles" Modell. Zusatzliche Schnitte, Risse und Ansichten werden sehr zeitaufwendig, rnit hohem Risiko und daher teuer aus dem lediglich im Kopf existierenden ,,virtuellen" Modell abgeleitet. Das rechnergestutzte dreidimensio- nale Anlagenmodell umgeht diese Nachteile, indem es zuerst ein ,,reales" Anlagenmodell im Rechner erzeugt und die zweidimensio- nalen Plane daraus fehlerfrei ableitet.

Interaktives Modellieren von Apparaten am graphischen

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Abb. 3. lnteraktives Plazieren von Apparaten in einem Gebaude.

Das soeben skizzierte Konzept war in der Praxis bisher nicht oder nur unter selten anzutreffenden Voraussetzungen realisierbar . In solchen Fallen konnten allerdings beachtliche Ergebnisse erzielt werden [2]. Durch Fortschritte bei der Hard- und Software kann dieses Konzept jetzt auch in der Anlagenplanung eingesetzt werden. Das Modellieren der in Abb. 3 dargestellten Behalter dauerte beispielsweise nur wenige Minuten. Der dreidimensional definierte Apparat kann sofort interaktiv auf dem farbigen graphischen Bildschirm unter jedem beliebigen Blickwinkel wie auf einer Fotografie betrachtet werden.

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Auch Behalter-Isometrien entstehen bei dieser Vorgehensweise leicht als Ausschnitte aus dem Anlagenmodell. Spezielle preiswerte Zusatz- rechner gestatten es dariiber hinaus, dreidimensionale Modelle von Chemieanlagen interaktiv auf dem farbigen graphischen Bild- schirm zu manipulieren. Die Anlagenplanung hat einen detaillierten Arbeitsplan zum Erstellen von Aufstellungsplanen rnit Hilfe von rechnerunterstutzten dreidimensionalen Anlagenmodellen erarbeitet . Im Rahmen dieses Arbeitsplanes werden insbesondere Vorkehrungen getroffen, die es gestatten, ein dreidimensionales Anlagenmodell so zu unterteilen, daD diese Teilmodelle rnit bereits existierenden Hard- und Software- Komponenten interaktiv am graphischen Bildschirm manipuliert werden konnen. So ist es zum Beispiel moglich, ein Anlagenmodell, geordnet nach Biihnenebenen, in Teilmodelle zu zerlegen und diese Teilmodelle einzeln zu manipulieren. Das System sorgt automatisch dafiir, daB Manipulationen am Teilmodell auch im Gesamtmodell berucksich- tigt werden. Ein Teilmodell kann auch die Verrohrung sein. Das System gestattet es daruber hinaus, eine beliebige Kombination von Teilmodellen gleichzeitig auf dem Bildschirm zu zeigen und zu manipulieren. Diese Vorgehensweise wird systemtechnisch durch die sog. Ebenentechnik und die Referenz-Files ermoglicht .

4 Ausblick

Das CAD-System hat sich gut eingefuhrt. Durch das Erstellen von Aufstellungsplanen und Bauplanen wird das Dienstleistungsangebot des CAD-Systems wesentlich erweitert und ist deswegen gegeniiber Lastschwankungen weniger anfallig. Das 3D-Konzept wird dariiber hinaus den Weg fur die dreidimensio- nale Apparate-Konstruktion und die dreidimensionale Rohrlei- tungsplanung ebnen. In beiden Fallen werden rnit dem CAD-System umfangreiche Verbesserungen bestehender Planungsmethoden mog-

lich. Bei Apparate-Konstruktionen werden sich beispielsweise leicht Berechnungsprogramme, wie die Finite-Element-Methode, und Fertigungsverfahren, wie die NC-Maschinensteuerung, integrieren lassen. Im Rohrleitungsbau sind der Kollisionstest sowie das automatische Ableiten von Isometrien und Daten fur die Festigkeits- nachrechnung von Rohrleitungen und fur die Rohrvorfertigung lohnende Ziele. Da sich CAD-Systeme hinsichtlich Hard- und Software sehr schnell weiterentwickeln, im Handling immer einfacher und daruber hinaus standig zuverlassiger werden, stehen wir erst am Anfang einer sturmischen Entwicklung, die die herkommlichen Planungsmetho- den revolutionieren wird. So sind in diesem Beitrag grol3e Einsatzge- biete, wie die MeD- und Regeltechnik sowie das .Verwalten zeichnungsorientierter Daten, nicht diskutiert worden. Wegen des iiberaus schnellen Fortschritts der Technologie von CAD-Systemen wird das Einfuhrungstempo ganz klar durch folgende Probleme bestimmt : 1. Die Organisationsprinzipien der Planung mussen iiberdacht und den neuen Bedingungen angepal3t werden. 2. Die Ausbildung muB sich an der neuen Technologie orientieren. Hier ist auch die werkseigene Ausbildung gefordert . 3. Personelle Konse- quenzen aus der zu erwartenden Umstrukturierung miissen rnit den realen Moglichkeiten in Einklang gebracht werden. Natiirlich kann es bei der CAD-Entwicklung auch Enttauschung und Ruckschlage geben, gegen die vorausschauendes Planen aber weitgehend Schutz bietet. Aufzuhalten ist das rasche Eindringen moderner Techniken in den Bereich der Planung von Chemieanlagen mit Sicherheit nicht [3]. Eingegangen am 17. Februar 1984 [K 6391

[I] Wolski, H.: Chem.-1ng.-Tech. 55 (1983) Nr. 11, A 584/586. [2] Mijller, U.; Korzonek, H.: VDI-Ber. (Ver. Dtsch. Ing.) Nr. 492, S.

[3] Capital (1983) Nr. 9, S. 166/174. 3731384.

Gleitringdichtungen fur Pumpen in der chemischen lndustrie

Rainer Schlegel*

Herrn Professor Dr.-Ing. Huns Schlachter zurn 60. Geburtstug

Die Entwicklungen der letzten Jahrzehnte haben dem Einsatz von Gleitringdichtungen ein breites Anwendungsspektrum fur Wellen- durchfiihrungen an Maschinen, wie Pumpen und Ruhrwerken, und bei der Einleitung von Versorgungsleitungen in rotierende Aggrega- teeinheiten gebracht und dabei den Einsatzbereich aufgrund der Entwicklung neuer Werkstoffe erheblich ausgeweitet. Wenn man einen Riickblick auf die technische Gestaltung von Gleitringdichtungen vor 100 Jahren unternimmt, so findet man eine Patentschrift vom Kaiserlichen Patentamt des Deutschen Reiches mit der Nr. 50971, erteilt am 16.8.1889, an Norman Mucbeth in Bolton/Lancaster (England) iiber eine ,,Stopfbiichse rnit bewegli- chen Verpackungsbehaltern" [l], die Konstruktionsprinzipien ent- halt, die auch heute noch bei doppelten axialen Gleitringdichtungen angewandt werden. Hier ist eine rotierende Packungseinheit darge- stellt, die den rotierenden Gleitring zur Welle hin rnit einer Packung abdichtet. Die Packung dient gleichzeitig als Puffer fur den AnpreD- druck der gleitenden Flachen. 1st diese innere Spannung der Pak-

* Dipl.-Ing. R. Schlegel, Hoechst AG, Werk Griesheim, 6230 Frank- furt/M. 80.

kung aufgebraucht, so wird die Spannung von auDen wie bei einer Packungsstopfbuchse nachgestellt . Durch die Anordnung von zwei Gleitringpaaren wird ein Raum zum Einsatz von Gleitmitteln ge- schaffen. Damit wurde schon vor etwa hundert Jahren eine prakti- sche Konstruktion entwickelt, die die deutlichen Vorteile einer dop- pelten Gleitringdichtung hatte. Drei Jahrzehnte spater wurde eine Gleitringdichtung als ,,Stopf- buchse fur umlaufende Wellen" in der Patentschrift des Deutschen Reiches Nr. 381 539 aus dem Jahre 1920 von W. E. Plurnmer, W. M . Kermode und Ch. Plummer in Bradfordpngland vorgestellt [2]. Deren Anordnung zeigt bereits eine Nachstellung des Gleitringes durch eine Feder und behalt zusatzlich die Nachstellmoglichkeit des Federdruckes von auBen bei. Auf die Beweglichkeit der Gleitring- dichtung fur die Aufnahme der Taumelbewegungen der Maschinen- welle wird durch die kugelige Sitzfllche des Gegenringes Riicksicht genommen. Diese Konstruktionselemente sind bei der Gestaltung der heutigen Konstruktion der Gleitringdichtungen vollkommen integriert. Die sturmische Entwicklung der synthetischen Kautschuk-Typen in den letzten 50 Jahren hat dazu gefuhrt, daD anstelle von Packungs- ringen oder Flachdichtungen O-Ringe aus synthetischem Kau- tschuk bei der Konstruktion der Gleitringdichtung vorgesehen wer- den. In denjenigen Einsatzfallen, in denen die chemische Bestandig- keit der synthetischen Kautschuk-Typen nicht ausreichend ist, wird Polytetrafluorethylen (z. B. Hostaflon) als Sekundardichtung einge- setzt. Der Schwerpunkt der weiteren Entwicklung der Gleitringdichtun- gen hat sich vor allem der Anwendung neuer Gleitwerkstoffe und der

Chem.-1ng.-Tech. 56 (1984) Nr. 5, S. 397-399 0 Verlag Chemie GmbH, D-6940 Weinheim 1984 0009-286X/84/0505-0397$02.50/0

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