Begriffe zur Automatisierung (DIN 19233)

Automat

Ein selbsttätig arbeitendes künstliches System, dessen Verhalten entweder schrittweise durch vorgegebene Entscheidungsregeln oder zeitkontinuierlich nach festgelegten Beziehungen bestimmt wird und dessen Ausgangsgrößen aus seinen Eingangs- und Zustandsgrößen gebildet werden.

Ein wesentliches Merkmal des programmgesteuerten Automaten ist das

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Ein wesentliches Merkmal des programmgesteuerten Automaten ist das Vorhandensein mindestens einer Verzweigung im Programm mit verschiedenen Ablaufmöglichkeiten, zwischen denen aufgrund der Eingabe von außen und des inneren Zustands entschieden wird. Auch das Stillsetzen ist als möglicher Zweig des Programmablaufs zu verstehen.Der Programmablauf wird durch äußere Anregung ausgelöst oder gesteuert, die Bestandteil der Eingabe ist oder diese selbst darstellt.

Automatisch

Nach Art eines Automaten arbeitend

Automatisieren, Automatisierung

Diese Ausrüstung (z. B. Geräte, Programme) ist nach DIN 19222 eine Leiteinrichtung.

Das Ausrüsten einer Einrichtung, so dass sie ganz oder teilweise ohne Mitwirkung des Menschen bestimmungsgemäß arbeitet.

Automatisierungsgrad

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Automatisierungsgrad

Anteil der automatisierten Funktionen an der Gesamtfunktion einer Anlage.

Er kann nur für ein festgelegtes System, dessen Grenzen genannt sein müssen, unter Bewertung seiner Funktionen angegeben werden.

Vollautomatischer Betrieb liegt vor, wenn alle Funktionen des betrachteten Systems mit Ausnahme von Einschalt- oder Abschaltvorgängen automatisiert sind. Sonst liegt teilautomatischer Betrieb vor.

Ein System ist eine in einem betrachteten Zusammenhang gegebene Anordnung von Gebilden, die miteinander in Beziehung stehen. Diese Anordnung wird aufgrund bestimmter Vorgaben gegenüber ihrer Umgebung abgegrenzt. (DIN 19226)

System

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Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem System, durch die Materie, Energie oder auch Information umgeformt, transportiert oder auch gespeichert wird. (DIN 19226)

Prozess

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Ein technischer Prozess ist ein Prozess, dessen physikalische Größen mit technischen Mitteln erfasst und beeinflusst werden

Prozessautomatisierung Fertigungsautomatisierung

Batch- (Stapel) Prozessebei Gasen, Flüssigkeiten, Schüttgütern

� transportieren

� heizen oder kühlen

� mischen und rühren

� trennen

� analysieren

Fertigungsprozesse von Stückgütern vornehmlich im getakteten Ablauf

� bewegen

� ausrichten

� transportieren

� mechanisch bearbeiten

� messen

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� … � ...

Ausgedehnte Anlagen, häufig im Freien, deshalb hohe Anforderungen an Tempe-raturbereiche und Schutz vor Umgebung

Kompakte Anlagen, meist geschützt in Hallen, deshalb geringe Anforderungen an Tempe-raturbereiche und Schutz vor Umgebung

Kontinuierliche Prozesskontrolle Zustandserkennung und Binärwerte dominieren

Viele analoge Messwerte

Behördliche Auflagen, Prüfzertifikate für Komponenten

Prozessautomatisierung Fertigungsautomatisierung

Prioritätenreihenfolge� Sicherheit (Explosionsschutz, SIL,

Betriebsbewährung

� Verfügbarkeit

� lange Anlagenlaufzeiten Total(10 … 20 Jahre)

� Produktivität(Geschwindigkeit, hohe Taktraten)

� niedrige Anschaffungskosten

� Echtzeitverarbeitung

� hohe Positioniergenauigkeit (Antriebe!)

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(10 … 20 Jahre)

� langen Laufzeiten ohne Stillstand(1 … 3 Jahre)

� Investitionsschutz

� Cost of Ownership

� Datenauthentizität, -vertraulichkeit

� Rückverfolgbarkeit

� Werkzeuge für Engineering und Asset Management

� hohe Positioniergenauigkeit (Antriebe!)

� Skalierbarkeit

� Flexibilität (einfach und schnell umrüstbar)

� planbare Wartungsintervalle, Fernwartung

� Rückverfolgbarkeit

� schnelle Ersatzteillieferung

Ebenenmodell der Prozessautomatisierung

(äquivalente Darstellung zur Automatisierungspyramide)

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Messen (1)

Allgemein

Dient der Erfassung von Informationen über den aktuellen Prozesszustand

Im engeren Sinne

Erfassung analoger physikalischer Größen (Tempeeratur, Druck, Durchfluss, Füllstand, Drehzahl, Analysemesswert …), die im Feld von

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Durchfluss, Füllstand, Drehzahl, Analysemesswert …), die im Feld von Messwertgebern und Messumformern erfasst werden

Messwertvorverarbeitung

Geschieht teilweise im Messumformer, teils aber auch im Prozessleitsystem

Abarbeitungsreihenfolge beim Messen

• Erzeugung eines analogen elektrischen Messsignals durch den Messwertgeber

• Analoge Tiefpassfilterung (anti-aliasing)

• Erfassung und Digitalisierung

• Digitale Filterung

Messen (2)

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• Digitale Filterung

• Linearisierung (Kompensation von nichtlinearen

Kennlinien)

• Skalierung (Umrechnung in physikalische Einheiten, „Engineering-Einheiten“)

• sichere Übertragung in den Schaltraum (analog oder digital mittels Hart- oder Feldbus-Protokoll)

Messen (3)

Die Erfassung binärer Zustände über binäre Sensoren kann ebenfalls unter dem Begriff „Messen“ eingeschlossen werden

Im Fall von elektromechanischen Kontakten ist (in der Hardware) eine Entprellung erforderlich

Die Zuordnung der zwei Zustände zur logischen „0“ oder „1“ kann bei Bedarf in der Software invertiert werden

„Soft-Sensor“:

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„Soft-Sensor“:

• Berechnung einer Größe ohne direkte Messung aus anderen Messgrößen (ggf. zusätzlich aus bekannten Stellgrößen)

• Prozessmodell erforderlich

• im einfachsten Fall ein linearer oder nichtlinearer statischer Zusammenhang

• im allgemeinen Fall benötigt man ein dynamisches Modell, das innerhalb eines Beobachters oder Zustandsschätzers verwendet wird.

Stellen

Dient der Beeinflussung des Prozesses durch Veränderungen von Stoff- oder Energieströmen mittels Stellventilen oder Antrieben

Stellgröße

• Bedieneingriff

• automatisch die Regelungs- oder Steuerungsfunktionen

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• automatisch die Regelungs- oder Steuerungsfunktionen

� analoges Stellen

� binäres Stellen

Steuern

Die mögliche Funktionalität von Steuerungsaufgaben erkennt man aus den gängigen Formen ihrer Beschreibung, insbesondere den Programmiersprachen

Diese Programmiersprachen sind in der IEC 61131-3 für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) international standardisiert

Gemeinsame Elemente

• Typen und Darstellung von Daten

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• Typen und Darstellung von Daten

• Deklaration und Initialisierung von Variablen

• Programmorganisationseinheiten

- Programm (PRG)

- Funktionsbaustein (FB)

- Funktion (FUN)

• Standardfunktionen und Standardfunktionsbausteine

• Ablaufsprache (AS) zur Darstellung von Ablaufsteuerungen

Aufbau einer SPS

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IEC 61131-3

Textuelle Programmiersprachen

Anweisungsliste (AWL)

• Entspricht der Assemblerprogrammierung eines virtuellen Prozessors

• nur 1 Rechenregister

• Befehle z.B. LD (load), AND, OR, ST (store), …

IEC 61131-3 (1)

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• Befehle z.B. LD (load), AND, OR, ST (store), …

• Operatoren haben nur einen Operanden

• größere Programme werden schnell unübersichtlich

• Programmcode kann sehr effektiv gestaltet werden

Strukturieter Text (ST)

• Universelle Programmiersprache mit Ähnlichkeiten zu PASCAL

• nur sinnvoll, wenn komplizierte Algorithmen erforderlich sind

Grafische Programmiersprachen

Funktionsbausteinsprache (FBS)

• Logikplan ist Grundlage für FBS

IEC 61131-3 (2)

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• auf Basis von einfachen Funktionsbausteinen können komplexere Funktionsbausteine definiert werden

• besonders gut geeignet, um zuverlässige Software zu erstellen

Kontaktplan (KOP)

• Vorbild ist die klassische Relaistechnik

• senkrechte Linien rechts bzw. links sind mit den Anschlüssen einer Spannungsquelle verbunden

• Arbeits- bzw. Ruhekontakt durch zwei senkrechte Striche ohne bzw.

IEC 61131-3 (3)

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• Arbeits- bzw. Ruhekontakt durch zwei senkrechte Striche ohne bzw. mit Schrägstrich

• Relais durch ein Paar runder Klammern

• Und- bzw. ODER-Verknüpfungen werden durch Serien- bzw Parallelschaltung von Kontakten erreicht

IEC 61131-3 (4)

FBS

KOP

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AWL

ST

IEC 61131-3 (5)

Ablaufsprache (AS)

• geeignete Ergänzung für die grafische Darstellung von Ablaufsteuerungen

• Eine Struktur aus Schritten und Transitionen kann als einfacher Sonderfall von Petri-Netzen (PN) betrachtet werden

• Verbindungslinien gelten als von oben nach untern gerichtet

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• Anfangsschritte (Rechteck mit doppelter Umrahmung) sind im Anfangszustand gesetzt

• Eine Transitionen (ausgefüllter Querbalken) schaltet, wenn alle ihrer Vorgängerschritte gesetzt sind und alle ihre Nachfolgeschritte nicht gesetzt sind und wenn zusätzlich die an der Transition angegebenen Transitionsbedingungen (Schaltattribute) erfüllt sind

IEC 61131-3 (5)

Elemente der Ablaufsprache (AS)

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• Das Schalten einer Transition bewirkt das Rücksetzen aller Vorgängerschritte und das Setzen aller Nachfolgeschritte

• bei gesetztem Schritt sind die zugehörigen Aktionen aktiv

• „Action Qualifier“ beschreibt das Verhalten genauer

- N nichtgespeichert (d.h. nur solanga, wie der Schritt aktiv ist)

- S speichernd setzen

- R speichernd rücksetzen

- D einschaltverzögert

Überwachen und Diagnose (1)

Überwachung: Klassifikation eines Prozesszustandes in die Klassen „Gutzustand“ oder „Fehlzustand“

• eine Überwachungseinrichtung spricht also an der Grenze zwischen Gutzustand und Fehlzustand an

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• eine Alarmmeldung an das Bedienpersonal mit nachfolgenden Bedieneingriffen oder eine automatische Reaktion sollen dann dafür sorgen, dass der Prozess wieder in den Gutzustand versetzt wird.

• nach den Ursachen für das Verlassen des Gutzustandes wird nicht gefragt

Überwachen und Diagnose (2)

Sicherheitseinrichtungen ( keine Überwachungseinrichtung) sprechen an der Grenze zwischen zulässigem und unzulässigem Fehlbereich an

Gefahren für den Menschen, für die Umwelt oder größere Sachschäden sollen vermieden werden

Fehlerdiagnose

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Fehlerdiagnose

Fehler ist der Ausfall oder das Versagen einer an der Gesamtfunktion beteiligten Komponente, entweder einer Anlagenkomponente oder einer Hard- oder Softwarekomponente, die Automatisierungsfunktionen realisiert

• Fehlererkennung (Erkennung, das ein Fehler aufgetreten ist)

• Fehlerisolation (Erkennung, welcher Fehler aufgetreten ist)

Ergänzend zur Fehlerdiagnose sind Handlungsempfehlungen an das Bedienpersonal und Information des Wartungspersonals erwünscht

Überwachen und Diagnose (3)

Fehlervermeidung umfasst technische und organisatorische Maßnahmen in allen Projektphasen (Spezifikation, Entwurf, Herstellung, Wartung), die das Auftreten von Fehlern vermeiden sollen.

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Tritt dennoch ein Fehler auf, so kommen außer einer gesicherten Abschaltung auch Maßnahmen zur Fehlerbehebung in Frage, mittels Fehlertoleranz oder „graceful degradation“ (sanfte Reduktion der Funktionalität), z.B. durch Redundanz oder durch Neuverteilung der aufrechtzuerhaltenden Funktionalität auf die verbleibenden Ressourcen.

Prozessführung mit Bildschirmen (1)

Formen der Prozessdarstellung auf dem Bildschirm

Fließbilder ermöglichen zusammen mit einblendbaren Faceplates („Leitfelder“) die Prozessführung

Kurvenbilder und Meldelisten sind als zusätzliche Informationen immer

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Kurvenbilder und Meldelisten sind als zusätzliche Informationen immer verfügbar

Mit anlagenspezifischen Fließbildern wird die Prozessinformation von grafischen und alphanumerischen Zeichen angezeigt

Die dynamische Prozessinformation (Messwert als Zahl oder Balken, Prozesssymbole für Pumpen, Ventile usw.) werden in eine statische, grafische Darstellung von Apparaten und Rohrleitungen integriert

Prozessführung mit Bildschirmen (2)

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Beispiel eines verfahrenstechnischen Fließbildes (VDI/VDE 3699)

Prozessführung mit Bildschirmen (3)

Detailbild

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Prozessführung mit Bildschirmen (4)

26Funktionen der Prozessleitsysteme

Bedeutung der Farbkodierung in Anlehnungan DIN IEC 73

Farbkodierung von Durchflußstoffengemäß DIN 2403

Prozessführung mit Bildschirmen (5)

Meldelisten listen Meldungen zeitfolgerichtig auf.

Meldung: Bericht vom Eintreten eines Ereignisses

Art der erfolgten Änderung mit Ort, Datum und Uhrzeit im Klartext

nicht nur für den Operator wichtig, sondern sie dienen auch der späteren Analyse von Prozessstörungen

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Meldungen

Prozessführung mit Bildschirmen (12)

Störmeldungen

Dienen dem rechtzeitigen Erkennen von sich abzeichnenden, außergewöhnlichen Betriebszuständen.

Dies ist eine der zentralen Aufgeben des Operators.

Das Meldekonzept ist auf geringe Abweichungen vom Normalbetrieb

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Das Meldekonzept ist auf geringe Abweichungen vom Normalbetrieb einerseits und auf schwerwiegende Betriebsstörungen andererseits abzustimmen

Üblicherweise gibt es eine Staffelung in drei Prioritätsklassen

Prozessführung mit Bildschirmen (13)

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Prozessführung mit Bildschirmen (3)

Kurvenbilder zeigen den Verlauf von Werten mehrerer Größen (typisch: vier bis acht Größen in einem Kurvenbild) in Anhängigkeit von der Zeit

Kurvenbilder liefern qualitative und quantitative Informationen

Kurvenbilder zeigen historische und Momentan-Werte an

Folgende Merkmale lassen sich leicht erkennen und bestimmen:

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Folgende Merkmale lassen sich leicht erkennen und bestimmen:

• Gradienten, z.B. von Temperaturen in °C/min

• Abhängigkeiten: Bei gleichzeitiger Anzeige mehrerer Verläufe wird erkennbar, wie die Änderung einer Größe sich auf andere Größen auswirkt

• Extremwerte: Wann wurde der größte oder kleinste Wert und wie groß war er

• Schwankungsbreite: Wie gut hält die Regelung den Istwert im vorgegebenen Toloranzbereich?