Automatisierungstechnik

Hamburger Fern-Hochschule

Bernhard Kurz bernhard.kurz@hm.edu in Teilen nach G. Achhammer

Automatisierungstechnik: Teilgebiete und Signalflüsse

Begriffe (1) • Prozess (DIN 66201)

Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem System, durch die Materie, Energie oder Informationen umge-formt, transportiert oder gespeichert wird.

• Technischer Prozess Prozess, dessen physikalische Größen mit technischen Mitteln erfasst und beeinflusst werden.

Anfangszustand von Materie, Energie

oder Information

Endzustand von Materie, Energie

oder Information Technischer Prozess

• Technologischer Prozess Prozess, der Arbeitsgänge beinhaltet

• Automatisierter technischer Prozess Technischer Prozess, in dem die Vorgänge teilweise oder ganz selbsttätig, d.h. ohne unmittelbare Mitwirkung des Menschen ablaufen.

• Automatisierungstechnik Alle technischen Mittel und Verfahren zur gezielten Beeinflussung automatisierter technischer Prozesse

Begriffe (2)

• Ökonomie • Ökologie • Ergonomie • Prozess-Stabilisierung

Prozess-Beherrschung Prozess-Optimierung Prozess-Sicherheit

Ziele der Automatisierung

Gefahren der Automatisierung • Rationalisierung, Monotonie • Hohe Investitionen • Technikabhängigkeit, Störanfälligkeit

Automatisierungsfunktionen und Automatisierungsniveaus

Beschreibungen von Automatisierungssystemen

• Technologisches Schema ganzheitliche Darstellung des Prozesses mittels grafischer Symbole (Ziel: fachübergreifende Verständigung)

• Wirkungsplan sinnbildliche Darstellung der Gesamtheit aller Wirkungen in einem betrachteten System (Ziel: Beschreibung der wirkungsmäßigen Zusammenhänge zwischen den Bestandteilen)

• Baugliedplan gerätetechnische Beschreibung und Darstellung

Automatisierung: Signalarten und Signalverarbeitung

Informationstechnik (1) Automatisierungssysteme sind informationsverarbeitende Systeme:

Information → Zeichen → Signale (Träger) → (Automatisierungs-)System • Information

= zielgerichtete Mitteilung (Adressat) [Zuruf] • Zeichen

= (geeignet) codierte Information [„HALLO“] • Signal

= zeitlicher Verlauf des physikalischen Abbilds einer Information • Signalarten [hex: 47 41 4C 4C 4F]

– analog - digital – kontinuierlich - diskontinuierlich (multiplex)

• Signalträger = physikalisches Medium (Elektrizität, Pneumatik)

Informationstechnik (2) • Binäres Signal

= Signal, bei dem der Informationsparameter nur zwei Informationen enthält, 0 und 1.

• digitales Signal = Kombination aus mehreren Binärsignalen (mit entsprechender Codierung)

• Paralleles Signal = Signal, das aus n zeitgleichen binären Signalen gebildet wird.

• Serielles Signal = Signal, das aus n zeitlich nacheinander anstehenden binären Signalen gebildet wird (Einheit: 1 Baud = 1Bd = 1 Bit/s)

• Analog-Digital-Umsetzung (ADU) = Umwandlung analoger Signale, z.B. Spannungswert, in digitales Signal

• Digitalisierungsfehler = maximal mögliche Abweichung bei der Analog-Digital-Wandlung (+/- 1 LSB – least significant bit)

Informationstechnik (3) • Codierung

= Zuordnung einer bestimmten Information zu einer vereinbarten Darstellung

• Zeichen = textuelle, durch Codierung entstandene Darstellungseinheit

• Code = Vorschrift für die Umsetzung von Informationen in Zeichen

• Codierungsformen – Binärcode: es gibt nur die Zeichen 0 und 1 – Numerische Codes: dienen zur Codierung von Zahlen (Beispiele: Dualcode, BCD-Code) – Alphanumerische Codes: Verwendung aller Zeichen eines

verfügbaren Zeichensatzes (Beispiel: ASCII)

Informationstechnik (4)

• Duales Zahlensystem, Binärcode

• Konvertierung: Beispiele

• Arithmetik: Beispiele

Kombinatorik • Grundfunktionen, abgeleitete Funktionen

→ UND/AND, ODER/OR, Negation/NOT

• Darstellungen

→ Schaltung, Funktionssymbol, Funktionstabelle, Schaltungsgleichung

• Rechengesetze (Distributiv, deMorgan) → eine/mehrere Variable(n), Gesetze der Boolschen Algebra

• Vereinfachung von Schaltfunktionen:

→ mit Schaltalgebra → mit Karnaugh-Veitch-Diagramm (KV-Diagramm)

Kombinatorik (logische Verknüpfungen)

Kombinatorik Beispiel:

K1= S0^S5^S1^S2^S4

v S0^S5^S1^S2^S4

v S0^S5^S1^S2^S4

v S0^S5^S1^S2^S4

Sequenzielle Logik

• Speicher, Flip-Flop, Kippglieder: – Dominant Setzen – Dominat Rücksetzen – Verriegelung

• Zeitglieder, Timer

– Einschalt-/Ausschaltverzögerung – Puls- und Taktgeber

• Zähler, Counter

Fuzzy-Logik und Fuzzy-Control

• Grundlagen der unscharfen Mathematik (Fuzzy)

• Werkzeuge: WINFACT – Modul FLOP

• Beispiel: Einstellung der Badewassertemperatur

Prozessautomatisierungsklassen • nach dem Prozessgegenstand

– Materieprozesse – Energieprozesse – Informationsprozesse

• nach der Art der Einwirkung – Erzeugungsprozesse – Verteilungsprozesse – Aufbewahrungsprozesse

• nach dem zeitlichen Verhalten von Prozessgrößen – Fließ- oder kontinuierliche Prozesse (Verfahrenstechnik) – Folge- oder sequentielle Prozesse (Chargenprozesse) – Stückgutprozesse (Logistik)

• bzw. nach Produktionsart / -bereich – verfahrenstechnische Prozesse – fertigungstechnische Prozesse – fördertechnische Prozesse

Prozessautomatisierungssystem

Anfangszustand von Materie, Energie

oder Information

Endzustand von Materie, Energie

oder Information

Technischer Prozess

Informationsverarbeitungs- und Kommunikationsprozess

Benutzungsprozess

Menschen

Automatisierungssystem: Chips, Platinen, Geräte, Schrank

Technisches System: Einrichtungen, Geräte, Anlagen

Bedienhandhabungen Meldungen

Einflussgrößen Ereignisgrößen

Prozessautomatisierungssystem - Bestandteile -

Visualisierung, Archivierung

Automatisierungs-Rechnereinheit

Prozessankopplung,Prozessperipherie

Prozessvisualisierung

Prozessautomatisierung - Hardwarestruktur Rechnereinheit -

Zentraleinheit

CPU

Taktgeber Hauptspeicher

logisches

Ein-/Ausgabesystem

Prozess-Peripherie

Bedienungs-Peripherie

Verb

und-

Perip

herie

Spei

cher

-Per

iphe

rie

Mess- und Stellglieder

Benutzer

ande

re S

yste

me

Prozessautomatisierungssystem - Komponenten der Prozessperipherie -

Merkmale Sensoren und Aktoren

Analog: z.B. Weg/Winkel mit Potentiometer

Digital: z.B. Weg/Winkel Inkrementalgeber, Impulsgeber

Mechanisch, mechatronisch:

Schaltkontakt, Relais, Schütz, Ventil, Magnet

Elektrisch, elektronisch:

Thyristor-/Phasenanschnittschaltung, Motor

Initiatorisch: Endschalter, Näherungsschalter, Lichtschranken

Prozessleittechnik Aufbau und Ebenen

PNK PNK

ASI-Bus

ES BBK BBK

Systembus

Ethernet

MES PPS BDE

Gateway

ERP Enterprise Resource Planning

MES Manufacturing Execution System PPS Produktionsplanungssystem BDE Betriebsdatenerfassung

BBK Bedien-/Beobachtungskomponente ES Engineering Station

PNK Prozessnahe Komponente Aktoren, Sensoren

ERP (SAP-R3)

Feldbus

Prozessautomatisierung - Bussysteme (1) -

Bus = linienförmiges Sammelleitungssystem zur Informationsübertragung, an das alle Geräte, Rechner usw.

abzweigend angeschlossen sind. Busperfomance = beschreibt Zeitverhalten und Übertragungsleistung

des Bussystems

Prozessautomatisierung - Bussysteme (2) -

• Feldbusse – Aktor-Sensor-Busse verbinden die Prozess-Koppelelemente eingangsseitig untereinander und mit

den Automatisierungssystemen der Ebene 1 (Feldebene) (z.B. ASI-Bus) – Steuerungsbusse verknüpfen die Automatisierungssysteme der Ebene 2 (Prozessleitebene-

Komponenten) untereinander und mit den prozessfernen Automatisierungssystemen (PROFI-Bus)

• Prozessbusse

verbinden die Automatisierungsgeräte der Ebene 3 untereinander und mit den Produktionsleitrechnern und Datenbanken der Ebene 3 (Prozessleitebene-Gruppen), z.B. SINEC H1

• Fabrikbusse

verbinden die Produktions-Leitrechner und Datenbanken der Ebene 3 untereinander und mit dem Zentralrechner der Ebene 4 (Produktions-/Betriebsleitebene), z.B. Ethernet

Prozessautomatisierung - Softwarestruktur -

• Systemsoftware = Gesamtheit der anwendungsunabhängigen

hardwaregebundenen Programme und Daten zur Organisation und Verwaltung des Rechnerbetriebs

• Betriebssystem • Bedien- und Programmiersystem • Dienstsystem

• Anwendungssoftware = Zusammenfassung aller prozessspezifisch ausgeführten

Programme und Daten

• Firmware = in dezentralen Peripheriekomponenten enthaltene

Steuerungssoftware (embedded system)

Prozessautomatisierung - Echtzeitbedingungen -

Echtzeit = Zeitgerechte Bedienung von Prozessen (mit Tm, Taz, TP) durch Rechner (Te, Ta, Tb)

• Meldezeit Tm = Zeit, in der ein Signal ansteht

• Erfassungszeit Te = Zeit, nach der ein Signal durch den Prozessrechner erfasst wird

• Reaktionszeit Tr = Zeit, nach der die Bearbeitung beginnt

• Bearbeitungszeit Tb = Zeit, die für die Bearbeitung (des Prozessrechners) benötigt wird

• Antwortzeit Ta ≤Tr+Tb = Zeit vom Eintreten des Ereignisses bis zur Ausgabe des Stellgliedes

• Stellzeit Ts = Zeit, die der Prozess benötigt, um auf ein Stellsignal zu reagieren

• Zulässige Antwortzeit Taz = Zeit, innerhalb der das Stellsignal ausgegeben sein muss

• Prozesszeit Tp = Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ereignissen

(bei zyklischen Ereignissen)

Es gilt: Te ≤ Tm Ta ≤ Taz Tb ≤ Tp

Prozessautomatisierung - Lebenszyklen -

• Planen • Konzipieren • Projektieren • Entwickeln

• Errichten • Montieren • Installieren • Erproben

• Betreiben • Nutzen • Instandhalten • Pflegen

• Erneuern • Konzipieren • Modernisieren

Steuern = Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als

Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen

Kennzeichen: offener Wirkungsablauf liegt vor bei

– offenem Wirkungsweg: kein Wirkungsweg führt von einer beeinflussten zu einer

beeinflussenden Größe zurück – (geschlossenem Wirkungsweg: die beeinflusste Größe wirkt auf die beeinflussende

zurück, aber nicht fortlaufend)

Steuerungstechnik

Darstellung einer Steuerung im Wirkungsplan

Darstellung im Wirkungsplan als Steuerkette = Wirkungsmäßige Verknüpfung von Steuereinrichtung und

Steuerstrecke Steuerstrecke, Prozess = Teil des Wirkungsweges, der den aufgabengemäß zu

beeinflussenden Bereich der Anlage darstellt. Steuereinrichtung = Teil des Wirkungsweges, der die aufgabengemäße Beeinflussung

der Strecke über das Stellglied bewirkt. Stellgröße y = Ausgangsgröße der Steuereinrichtung und Eingangsgröße der

Steuerstrecke Störgröße z = von außen wirkende Größe, die die beabsichtigte Beeinflussung

in einer Steuerung beeinträchtigt

Wirkungsplan einer Steuerung

Steuerstrecke Prozess

Stellglied

Steuereinrichtung

technisches System

y = Stellgröße

z = Störgröße

Eingangsgröße w

Verknüpfungssteuerung = Steuerung, die den Signalzuständen der Eingangssignale

bestimmte Signalzustände der Ausgangssignale im Sinne boolescher Verknüpfungen zuordnet.

Führungssteuerung = Steuerung, bei der zwischen den Ein- und Ausgangsgrößen

ein wert-/funktionsmäßiger Zusammenhang besteht.

Ablaufsteuerung = Steuerung mit zwangsläufig schrittweisem Ablauf, bei der das

Weiterschalten von einem auf den programmgemäß folgenden abhängig von einer Weiterschaltbedingung erfolgt.

• zeitgeführte Ablaufsteuerung (Ampelanlage) • weggeführte Ablaufsteuerung (Kopierfräsen) • prozessgeführte Ablaufsteuerung (Waschmaschine)

Steuerungsarten (nach Art der Signalverarbeitung)

Steuerungsarten (nach Art der Realisierung)

Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) Realisierung der Verarbeitungsfunktionen der Steuerung durch funktionsbezogene Schaltungen (problemorientierte Verbindungen von Schaltungselementen, z.B. Schalter, Relais, Schütz (Darstellung durch Stromlaufplan, Bauschaltplan, Anschlussplan) oder IC‘s (ASIC, F-PGA)

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Realisierung der Steuerungsfunktion durch Software, wobei bevorzugt binäre Eingangssignale zu binären Ausgangs- signalen verarbeitet werden. Verarbeitungsfunktionen werden durch Programme realisiert. Die Verarbeitung ist einem Prozessrechner übertragen.

Einsatzfelder von SPS

Fertigungsprozesse (Werkzeugmaschinen, Pressen,

Fertigungslinien)

Herstellungsprozesse (Nahrungsgüter, chemische Produkte,

Textilien, Papier, usw.)

Bearbeitungsprozesse (Schweißen, Schneiden, Biegen)

Lager-, Verpackungs- und Transportprozesse ( Regallager,

Dosiereinrichtungen, Förderer)

Handhabungs- und Montageprozesse (Roboter)

Verkehrstechnik und Verkehr ( Verkehrsleitung und –überwachung)

Versorgung und Entsorgung (Energie, Wasser, Abwasser)

Grundfunktionen einer SPS

Verarbeitung binärer Signale, welche aus Kontakten, Initiatoren, Schaltern, Lichtschranken u.a. stammen zu binären Signalen für das Schalten von Motoren, Ventilen, Lampen, Magneten, Anzeigen usw.

Weitere Verarbeitungs- und Steuerungsfunktionen – Zähl- und Zeitfunktionen (softwaremäßige Realisierung auf

der Basis von Countern und Timern) – Arithmetische Rechen- und Vergleichsfunktionen – Digitale Ein- und Ausgabefunktionen

Aufbau einer modularen SPS (1)

Stromversorgungsmodul: erzeugt die für den Betrieb erforderlichen Spannungen (z.B +/-5V, +/-12V, 24V)

Zentralmodul: zuständig für die Informationsverarbeitung, enthält neben einem oder mehreren Mikroprozessoren den Arbeits-, Programm- und Betriebssystemspeicher und Schnittstellen

Signalmodule (Ein-/Ausgabemodule): erfüllen die Schnittstellenfunktionen zwischen der Informationsverarbeitung einerseits und den Mess- und Stellgliedern im technischen Prozess andererseits, besitzen Eingänge für binäre, digitale und analoge Signale aus den Messgliedern und Ausgänge an die Stellglieder, erfüllen Funktionen der Ein- und Ausgangsanpassung

Aufbau einer modularen SPS (2)

Kommunikationsmodule: stellen den Anschluss an einen seriellen Steuerungsbus und evtl. an einen Sensor-Aktor-Bus her zum Zweck des Datenaustausches mit anderen Systemen (Kommunikationsprozessor, Buscontroller)

Funktionsmodule: erforderlich, falls aus funktionellen, programmtechnischen oder Echtzeitgründen ein zusätzliches Bindeglied zwischen dem technischen Prozess einerseits und der zentralen Verarbeitung andererseits nötig ist, z.B. – schnelle Zählvorgänge – Einlesen und Konvertieren speziell kodierter Informationen,

z.B aus Barcode-Scannern – Anschluss von Bediensystemen, z.B. zur

Prozessvisualisierung – Einbindung einer numerischen Steuerung

Geräte-/Zuordnungsliste und Beschaltung einer SPS

Anschluss Bezeichnung B-Mittel

E4.1 Taster S1

E4.2 Schalter S2

A5.0 Anzeige-LED H1

A5.1 Motorschütz K2

A6.4 E-Ventil Y3

CPU / Speicher / ,E/A

Betriebsart einer SPS

Zyklusbetrieb, d.h. das Programm läuft in einer Endlosschleife

Eingabephase

Verarbeitungsphase

Ausgabephase

Betriebsystem

Zykluszeit einer SPS

Zykluszeit TZ:

BAVEZ TTTTT +++=

TE = Zeit für die Eingabephase

TV = Zeit für die Verarbeitungsphase

TA = Zeit für die Ausgabephase

TB = Zeit für das Ausführen bestimmter Funktionen des Betriebssystems

Echtzeitbedingungen:

2

2P

Z

azZ

mZ

TT

TT

TT

≤

≤

≤

Sprachen zur SPS -Programmierung

Anweisungsliste (AWL)

Funktionsbausteinsprache (FBS), Funktionsplan (FUP)

Kontaktplan (KOP)

Strukturierter Text (ST)

Ablaufsprache (AS)

Anweisungsliste (AWL)

Ursprung in der Programmierung von Prozessoren in Assembler

Folge von Befehle, die vom Rechner sequentiell abgearbeitet

werden

Aufbau einer Anweisung:

Marke Operator Operand Kommentar

Start LD %IX 5.3 (*Eingang 5.3 laden*)

laden Kennzeichen (Eingang, Ausgang,usw.) Kanalnummer

Bitnummer

Liste der Kennzeichen

IX binärer Eingang

QX binärer Ausgang

MX binärer Merker

C Counter

T Timer

FC Funktion

FB Funktionsbaustein

Liste der Operatoren

LD laden ) Klammer zu

LDN negierten Wert laden S auf 1 setzen

ST speichern R auf 0 setzen

STN negierten Wert speichern JMP Sprung

AND UND JMPC bedingter Sprung

AND( UND Klammer auf JMPNC bedingter Sprung

ANDN UND NICHT CAL Funktionsaufruf

OR ODER RET Rückkehr aus Funktion

XOR ENTWEDER - ODER

& UND

ODER

NICHT

XOR

Äquivalenz

Funktionsbausteinsprache (FUP)

geeignet für Verknüpfungssteuerungen

graphische Notationsform unter Verwendung der logischen

Funktionssymbole

Beispiel:

& x1 x2

y

1≥

1==

Kontaktplan (KOP)

graphische Notationsform ähnlich dem Stromlaufplan

Abfrage auf 1 („Schließer“)

Abfrage auf 0 („Öffner“)

Zuweisung

Strukturierter Text (ST)

Textliche Programmcodierungen ähnlich höheren

Programmiersprachen wie PASCAL, C

Ablaufsprache (AS)

für Ablaufsteuerungen geeignet

graphische Notationsform bestehend aus den Grundelementen – Schritt – Transition – Aktion mit Qualifizierern (S,R,D,N(NS),F,RC)

Q/Aktionen Schritt

Transition (Übergangsbedingung)

Numerische Steuerungen (NC = Numeric Control)

digital arbeitende Steuerungen

Darstellung und Verarbeitung von Prozessinformationen in

numerischer Form (z. B. Maßzahlen)

Vorteile: – Zielpositionen für Bewegungsschritte frei programmierbar – physikalische Größen können kontinuierlich gesteuert werden