Automatisierungstechnik

1 Automatisierungstechnik — eine grundlegende Ingenieurwissenschaft.- 1 Einleitung.- 1.1 Einordnung der Automatisierungstechnik.- 1.1.1 Ziele und Entwicklungstrends der Automatisierungstechnik.- 1.1.1.1 Prozeßautomatisierung und Betriebsgewinn.- 1.1.1.2 Zielstellungen der Prozeßautomatisierung.- 1.1.1.3 Automatisierungstechnik und Industriegesellschaft.- 1.1.2 Automatisierungstechnik und Informatik.- 1.1.2.1 Materie-, Energie- und Informationsstrom.- 1.1.2.2 Software in der Automatisierungstechnik.- 1.1.2.3 Computer Aided Engineering (CAE).- 1.2 Anwendung der Automatisierungstechnik.- 1.2.1 Hauptfunktionen der Automatisierungstechnik.- 1.2.1.1 Prozeßüberwachung.- 1.2.1.2 Prozeßsicherung.- 1.2.1.3 Prozeßstabilisierung.- 1.2.1.4 Prozeßführung.- 1.2.1.5 Prozeßoptimierung.- 1.2.2 Anwendungsbereiche der Automatisierungstechnik.- 1.2.2.1 Automatisierung technischer Prozesse.- 1.2.2.2 Nichttechnische Anwendungen der Automatisierungstechnik.- 2 Theoretische Grundlagen der Automatisierungstechnik.- 2 Grundlagen der Regelungs- und Steuerungstechnik.- 2.1 Einführung.- 2.1.1 Funktionelle Betrachtungsweise.- 2.1.2 Begriffe der Regelungs- und Steuerungstechnik.- 2.1.2.1 System.- 2.1.2.2 Größe.- 2.1.2.3 Prozeß und Modell.- 2.1.2.4 Wirkungsplan.- 2.1.2.5 Regelung.- 2.1.2.6 Steuerung.- 2.1.3 Informationen und Signale.- 2.1.3.1 Information.- 2.1.3.2 Signal.- 2.1.3.3 Signaleinteilung.- 2.1.4 Graphische Symbole und Kennbuchstaben.- 2.1.4.1 Symbole.- 2.1.4.2 Kennbuchstaben.- 2.2 Mathematische Beschreibung stetig wirkender Systeme.- 2.2.1 Statische Beschreibung.- 2.2.1.1 Linearisierung der Kennlinie.- 2.2.1.2 Typische Nichtlinearitäten.- 2.2.2 Dynamische Beschreibung linearer zeitinvarianter Systeme.- 2.2.2.1 Lineare Übertragungsglieder.- 2.2.2.2 Testsignale.- 2.2.2.3 Sprungantwort und Übergangsfunktion.- 2.2.2.4 Frequenzgang und Ortskurve.- 2.2.2.5 Differentialgleichung.- 2.2.2.6 Übertragungsfunktion.- 2.2.2.7 Zusammenhänge zwischen den Beschreibungsformen.- 2.2.2.8 Weitere Beschreibungsformen.- 2.2.3 Übersicht der linearen Grundglieder.- 2.2.3.1 P-Glied.- 2.2.3.2 I-Glied.- 2.2.3.3 D-Glied.- 2.2.3.4 Tt-Glied.- 2.2.3.5 T1-Glied.- 2.2.3.6 T2-Glied.- 2.2.4 Grundstrukturen des Wirkungsplanes.- 2.2.4.1 Reihenstruktur.- 2.2.4.2 Parallelstruktur.- 2.2.4.3 Kreisstruktur.- 3 Regelungstechnik.- 3.1 Elemente des Regelkreises.- 3.1.1 Struktur und Größen des Regelkreises.- 3.1.1.1 Struktur des Eingrößen-Regelkreises.- 3.1.1.2 Erläuterung der Größen des Regelkreises.- 3.1.1.3 Stell-und Störverhalten der Strecke.- 3.1.2 Regelstrecken mit Ausgleich (P-Strecken).- 3.1.2.1 Strecke mit Ausgleich 0. Ordnung, P-T0-Strecke.- 3.1.2.2 Strecke mit Ausgleich 1. Ordnung, P-T1-Strecke.- 3.1.2.3 Strecke mit Ausgleich 2. und höherer Ordnung, P-Tn-Strecke.- 3.1.2.4 Strecke mit Totzeit, Tt-Strecke.- 3.1.2.5 Strecke mit Ausgleich i-ter Ordnung und Totzeit, P-TiTt-Strecke.- 3.1.3 Regelstrecken ohne Ausgleich (I-Strecken).- 3.1.3.1 Strecke ohne Ausgleich 0. Ordnung, I-T0-Strecke.- 3.1.3.2 Strecke ohne Ausgleich 1. Ordnung, I-T1-Strecke.- 3.1.3.3 Strecke ohne Ausgleich i-ter Ordnung und Totzeit, I-TiTt-Strecke.- 3.1.4 Grundanteile und Arten linearer Regler.- 3.1.4.1 P-Anteil, P-Regler.- 3.1.4.2 I-Anteil, I-Regler.- 3.1.4.3 D-Anteil.- 3.1.4.4 PI-Regler.- 3.1.4.5 PD-Regler.- 3.1.4.6 PID-Regler.- 3.1.5 Technische Ausführung und Benennung der Regler.- 3.1.5.1 Konventionelle Ausführung.- 3.1.5.2 Rechnergestützte Ausführung.- 3.1.5.3 Weitere Regelalgorithmen.- 3.1.5.4 Benennung und Einteilung der Regler.- 3.2 Linearer Regelkreis.- 3.2.1 Übertragungsfunktionen.- 3.2.1.1 Angriffsort der Störgröße.- 3.2.1.2 Führungs- und Störungsverhalten des Regelkreises.- 3.2.2 Arten der Regelung.- 3.2.2.1 Beanspruchungsarten des Regelkreises.- 3.2.2.2 Einschwingverhalten.- 3.2.3 Stabilität des Regelsystems.- 3.2.3.1 Charakterisierung des Stabilitätsproblems.- 3.2.3.2 Lösung der charakteristischen Gleichung.- 3.2.3.3 Stabilitätskriterien.- 3.2.4 Typische Strecke-Regler-Kombinationen.- 3.2.4.1 Komplexer und reeller Regelfaktor.- 3.2.4.2 P-Regler an P-Strecke.- 3.2.4.3 P-Regler an I-Strecke.- 3.2.4.4 I-Regler an P-Strecke.- 3.2.4.5 Zusammenfassung.- 3.2.5 Einstellung und Optimierung von Regelkreisen.- 3.2.5.1 Güte der Regelung.- 3.2.5.2 Frequenzkennlinienverfahren.- 3.2.5.3 Wurzelortsverfahren.- 3.2.5.4 Parameteroptimierung mittels Integralkriterien.- 3.2.5.5 Betragsoptimierung.- 3.2.5.6 Verwendung von Einstellregeln.- 3.2.5.7 Nutzung des rechnergestützten Entwurfs.- 3.3 Ausgewählte Formen von Eingrößen-Regelkreisen.- 3.3.1 Mehrschleifiger Regelkreis.- 3.3.1.1 Zielstellung.- 3.3.1.2 Regelkreis mit Störgrößenaufschaltung.- 3.3.1.3 Kaskadenregelung.- 3.3.2 Regelkreis mit Zweipunktregler.- 3.3.2.1 Anwendung.- 3.3.2.2 Arbeitsbewegung.- 3.3.3 Adaptiver Regelkreis.- 3.3.3.1 Zielsetzung.- 3.3.3.2 Self-Tuning-Verfahren.- 3.3.3.3 Modell-Referenz-Verfahren.- 3.4 Regelung und Steuerung von Mehrgrößensystemen.- 3.4.1 Mehrgrößensysteme.- 3.4.1.1 Einführende Beispiele.- 3.4.1.2 Definition.- 3.4.1.3 Getastete Regelkreise.- 3.4.1.4 Mathematische Beschreibung quasikontinuierlicher Mehrgrößensysteme.- 3.4.2 Arten der Leittechnik für Mehrgrößensysteme.- 3.4.2.1 Regelung von Mehrgrößensystemen (Rückführungsprinzip).- 3.4.2.2 Steuerung von Mehrgrößensystemen (modellbasierte Vorwärtssteuerung).- 3.4.2.3 Kombinierte Regelung und Steuerung von Mehrgrößensystemen.- 3.4.3 Eigenschaften von Mehrgrößenregelungssystemen.- 3.4.3.1 Stabilität.- 3.4.3.2 Autonomie.- 3.4.3.3 Zusammenhänge zwischen Stabilität, Invarianz, Autonomie und Regelgüte.- 4 Experimentelle Prozeßanalyse.- 4.1 Grundlagen.- 4.1.1 Zielstellung.- 4.1.2 Modellbegriff und -abgrenzung.- 4.1.2.1 Begriffe und Definitionen.- 4.1.2.2 Prozeß und Prozeßvariable.- 4.1.3 Einteilung und Entwicklung mathematischer Modelle.- 4.1.3.1 Einteilung mathematischer Modelle.- 4.1.3.2 Eigenschaften eines mathematischen Modells.- 4.1.3.3 Praktische Modellentwicklung.- 4.1.4 Signalanalyse und theoretische Prozeßanalyse.- 4.1.4.1 Signalanalyse.- 4.1.4.2 Theoretische Prozeßmodellierung.- 4.2 Deterministische Identifikation linearisierter kontinuierlicher Systeme.- 4.2.1 Einführung.- 4.2.1.1 Arbeitsprinzip.- 4.2.1.2 Steuer- und Beobachtbarkeit.- 4.2.1.3 Modellkomponenten.- 4.2.2 Modellbestimmmung aus der Übergangsfunktion.- 4.2.2.1 Strukturerkennung.- 4.2.2.2 Voraussetzungen.- 4.2.2.3 Zielstellung zur Bestimmung der Übertragungsglieder Sij(s).- 4.2.2.4 Ablauf der Modellbestimmung.- 4.2.2.5 Beispiele.- 4.2.3 Modellbestimmung aus der Frequenzgangdarstellung.- 4.2.3.1 Meßverfahren zur Aufnahme der Ortskurve.- 4.2.3.2 Auswertung der Ortskurve.- 4.2.3.3 Beispiele.- 4.3 Statistische Identifikation von Systemen.- 4.3.1 Einführung.- 4.3.1.1 Informationsgewinnung aus stochastischen Signalen.- 4.3.1.2 Stufen der experimentellen Modellbildung.- 4.3.1.3 Aufgabenstellung der Modellschätzung.- 4.3.1.4 Klassifikationsgesichtspunkte.- 4.3.1.5 Beschreibung abgetasteter kontinuierlicher Signale.- 4.3.2 Direkte Schätzverfahren für nichtparametrische Modelle.- 4.3.2.1 Nichtparametrische dynamische Modelle.- 4.3.2.2 Übersicht.- 4.3.3 Mathematische Grundlagen der Parameterschätzverfahren.- 4.3.3.1 Methode der kleinsten Quadrate (Regression).- 4.3.3.2 Differenzengleichung eines ungestörten getasteten Systems.- 4.3.3.3 Gleichungen des gestörten Systems.- 4.3.3.4 Bildung des Fehlersignals.- 4.3.4 Übersicht der Parameterschätzverfahren.- 4.3.4.1 Einteilung der Parameterschätzverfahren.- 4.3.4.2 Festlegung der Modellordnung.- 4.3.4.3 Direkte Methode der Regression.- 4.3.4.4 Rekursive Methode der Regression.- 4.3.4.5 Weitere Parameterschätzverfahren.- 4.3.4.6 Offene Probleme.- 4.3.4.7 Rechnergestützte Parameterschätzung.- 5 Steuerungstechnik.- 5.1 Grundlagen der Steuerungstechnik.- 5.1.1 Arten von Steuerungen.- 5.1.1.1 Grundbegriffe.- 5.1.1.2 Einteilung digitaler und binärer Steuerungen.- 5.1.1.3 Arten von Steuerungssignalen.- 5.1.2 Schaltzeichen binärer Systeme.- 5.1.2.1 Auswahl graphischer Symbole aus DIN 40900 (Teil 7).- 5.1.2.2 Auswahl graphischer Symbole aus DIN 40900 (Teil 12).- 5.1.3 Logische Verknüpfungen.- 5.1.3.1 Logische Grundfunktionen.- 5.1.3.2 Erweiterte logische Verknüpfungen.- 5.2 Grundzüge der Schaltalgebra.- 5.2.1 Mathematische Symbole.- 5.2.1.1 Übersicht.- 5.2.1.2 Bindungsstärke der Symbole.- 5.2.2 Rechengesetze.- 5.2.2.1 Kommutatives Gesetz (Vertauschungsgesetz).- 5.2.2.2 Assoziatives Gesetz (Verbindungsgesetz).- 5.2.2.3 Distributives Gesetz (Verteilungsgesetz).- 5.2.2.4 Inversionsgesetz (Umkehrungsgesetz).- 5.2.3 Normalformen logischer Funktionen.- 5.2.3.1 Definition.- 5.2.3.2 Vollständige disjunktive Normalform.- 5.2.3.3 Vollständige konjunktive Normalform.- 5.2.3.4 Verwendung der Normalformen.- 5.2.4 Rechenregeln.- 5.2.4.1 Postulate der Schaltalgebra.- 5.2.4.2 Ausgewählte Rechenregeln der Schaltalgebra.- 5.2.5 Schaltungsvereinfachung und Kürzungsverfahren.- 5.2.5.1 Rechnerische Schaltungsvereinfachung.- 5.2.5.2 Kürzung mit dem Karnaugh-Veitch-Diagramm.- 5.3 Ausgewählte Teilprobleme der Steuerungstechnik.- 5.3.1 Vergleichende Darstellung der Beschreibungsmöglichkeiten.- 5.3.2 Realisierung elektronischer Logikelemente.- 5.3.3 Schaltungssynthese mit NAND- und NOR-Gattern.- 5.3.4 Schaltwerke.- 5.3.4.1 Merkmale.- 5.3.4.2 Vermeiden von Fehlschaltungen (Hazards).- 3 Technik rechnergestützter Automatisierungsgeräte.- 6 Gerätetechnische Grundlagen der Prozeßdatenverarbeitung.- 6.1 Einführung.- 6.1.1 Geschichtlicher Abriß zur Entwicklung der Prozeßrechentechnik.- 6.1.1.1 Rechenfunktionen in der Automatisierungstechnik.- 6.1.1.2 Entwicklung der Prozeßrechentechnik.- 6.1.2 Rechnergestützte Automatisierungsgeräte.- 6.1.2.1 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS).- 6.1.2.2 Industrie-Personal-Computer (IPC).- 6.1.2.3 Prozeßleitsysteme (PLS).- 6.1.2.4 Gegenüberstellung und Anwendungsbereiche.- 6.1.3 Gerätenetze.- 6.1.3.1 Automatisierungsstrukturen.- 6.1.3.2 Lokale Netze.- 6.1.3.3 ISO/OSI-Referenzmodell.- 6.1.3.4 Standardisierung bei Kommunikationssystemen.- 6.2 Technik und Wirkungsweise von PDV-Geräten.- 6.2.1 Leistungsmerkmale von PDV-Geräten.- 6.2.1.1 Gegenüberstellung rechnergestützter und konventioneller PDV-Geräte.- 6.2.1.2 Merkmale der Prozeßrechentechnik.- 6.2.2 Aufbau und Arbeitsweise der Zentraleinheit.- 6.2.2.1 Arbeitsprinzip des Einadreßrechners.- 6.2.2.2 Zentrale Verarbeitungseinheit.- 6.2.2.3 Bestandteile der Zentraleinheit für den Realtime-Betrieb.- 6.2.2.4 Mikroprozessortechnik.- 6.2.3 Prozeßdatenein- und -ausgabe.- 6.2.3.1 Analogwerteingabe.- 6.2.3.2 Digitalwert- und Impulseingabe.- 6.2.3.3 Prozeßdatenausgabe.- 6.2.4 Prozeßleittechnik.- 6.2.4.1 Grundlagen.- 6.2.4.2 Prozeßvisualisierung.- 6.2.4.3 Strukturieren von PLS-Geräten.- 7 Programmtechnische Grundlagen der Prozeßdatenverarbeitung.- 7.1 Realtime-Betriebssysteme und Prozeßprogrammiersprachen.- 7.1.1 Darstellung digitaler Daten.- 7.1.1.1 Übersicht gebräuchlicher Zahlenformate.- 7.1.1.2 Umrechnung der Zahlenformate.- 7.1.2 Softwarequalität.- 7.1.2.1 Konsequenzen der Funktionsprogrammierung.- 7.1.2.2 Softwarezuverlässigkeit.- 7.1.3 Realtime-Betriebssysteme.- 7.1.3.1 Merkmale.- 7.1.3.2 Taskkonzept.- 7.1.3.3 Aufbau.- 7.1.4 Prozeßprogrammiersprachen.- 7.1.4.1 Assemblersprachen.- 7.1.4.2 Fachsprachen und spezielle Programmiersysteme.- 7.1.4.3 Realtime-Hochsprachen.- 7.2 Methodische Grundlagen der Anwenderprogrammentwicklung.- 7.2.1 Software Engineering.- 7.2.1.1 Einführung.- 7.2.1.2 Stufen der Software-Entwicklung.- 7.2.2 Etappe des geistig-kreativen Entwurfes.- 7.2.2.1 Problemanalyse, Anforderungsdefinition.- 7.2.2.2 Strukurentwurf.- 7.2.2.3 Algorithmenentwurf.- 7.2.2.4 Programmcodierung.- 7.2.3 Etappe der rechnergestützt-formalen Realisierung.- 7.2.3.1 Editieren, Übersetzen, Laden/Binden.- 7.2.3.2 Offline-Programmtest.- 7.2.3.3 Online/Realtime-Systemtest.- 7.2.3.4 Dokumentation der Software-Entwicklung.- 8 Speicherprogrammierbare Steuerungen.- 8.1 Geräte-und Programmtechnik.- 8.1.1 Gerätetechnik einer SPS.- 8.1.1.1 Modularitätsprinzip.- 8.1.1.2 Hinweise zum Baugruppen-Stecken.- 8.1.1.3 CPU-Baugruppen.- 8.1.1.4 Eingabe- und Ausgabebaugruppen.- 8.1.1.5 Weitere SPS-Baugruppen.- 8.1.1.6 Schnittstellen.- 8.1.2 Programmtechnik einer SPS.- 8.1.2.1 Zusammenstellung der Software-Bausteine.- 8.1.2.2 Permanenter zyklischer Betrieb einer SPS.- 8.1.2.3 Zykluszeit und Reaktionszeit.- 8.1.2.4 Ergänzende Betriebsarten einer SPS.- 8.1.3 Programmdarstellungsarten.- 8.1.3.1 Normgerechte Programmierung nach IEC 1131-1/3.- 8.1.3.2 Kontaktplan, Funktionsplan und Anweisungsliste.- 8.1.4 Unterstützungsfunktionen des Programmiergerätes.- 8.1.4.1 Übersicht zum Softwarepaket STEP 5.- 8.1.4.2 Eingabe, Ausgabe und Korrektur von Anwenderprogrammen.- 8.1.4.3 Unterstützung des Programmtests und der Fehlersuche.- 8.2 Beschreibung der programmierbaren Funktionen.- 8.2.1 Bausteinbezogene Funktionen.- 8.2.1.1 Aufruf und Beendigung von Bausteinen.- 8.2.1.2 Aktivierung von Datenbausteinen.- 8.2.2 Binäre Verknüpfungs- und Speicherfunktionen.- 8.2.2.1 Programmanweisung und Verknüpfungsergebnis.- 8.2.2.2 Übersicht der Operandenbereiche.- 8.2.2.3 UND-, ODER- und NICHT-Verknüpfungen.- 8.2.2.4 Berücksichtigung der Geber.- 8.2.2.5 Setzen und Rücksetzen.- 8.2.2.6 Flankenerkennung.- 8.2.3 Zeit- und Zählfunktionen.- 8.2.3.1 Starten, Rücksetzen und Abfragen einer Zeitfunktion.- 8.2.3.2 Übersicht der verfügbaren Zeitfunktionen.- 8.2.3.3 Setzen, Rücksetzen und Vor-/Rückwärtszählen einer Zählfunktion.- 8.2.4 Mathematische Funktionen.- 8.2.4.1 Allgemeine Hinweise.- 8.2.4.2 Laden und Transferieren.- 8.2.4.3 Vergleichsfunktionen.- 8.2.4.4 Arithmetische Funktionen.- 8.2.4.5 Digitalverknüpfungen und Umwandlungsoperationen.- 8.2.5 Organisatorische Funktionen.- 8.2.5.1 Sprungfunktionen.- 8.2.5.2 Schiebefunktionen.- 8.2.5.3 Bearbeitungsfunktionen.- 8.3 Übersicht zu speziellen Gebieten der SPS-Technik.- 8.3.1 Programmierung von Funktionsbausteinen mit Formaloperanden.- 8.3.2 Analogwertverarbeitung und Regelung.- 8.3.3 Alarm- und zeitgesteuerter Betrieb.- 8.3.4 Prozeßvisualisierung und -bedienung.- 8.3.5 Vernetzung mehrerer Geräte.- 8.3.6 Erstellung und Anwendung von Fuzzy-Logic-Funktionsbausteinen.- 8.3.7 Kopplung eines PC-basierten Expertensystems.- 8.4 Operationsliste der SIMATIC S5–100U und S5–135U.- 8.4.1 Erläuterungen.- 8.4.1.1 Erläuterungen zur Operationsliste.- 8.4.1.2 Erläuterung der Operanden-Kennzeichen und -Parameter.- 8.4.1.3 Erläuterung der Formaloperanden-Deklaration.- 8.4.2 Grundoperationen.- 8.4.2.1 Binäre Verknüpfungs- und Speicheroperationen.- 8.4.2.2 Lade- und Transferoperationen.- 8.4.2.3 Zeit- und Zähloperationen.- 8.4.2.4 Arithmetische Operationen.- 8.4.2.5 Vergleichsoperationen.- 8.4.2.6 Bausteinaufruf- und -rücksprung-Operationen.- 8.4.2.7 Null-, Stop-und Bildaufbau-Operationen.- 8.4.3 Ergänzende Operationen.- 8.4.3.1 Binäre und digitale Verknüpfungsoperationen.- 8.4.3.2 Speicher- und Setzoperationen.- 8.4.3.3 Zeit- und Zähloperationen.- 8.4.3.4 Lade- und Transferoperationen.- 8.4.3.5 Umwandlungsoperationen.- 8.4.3.6 Schiebe- und Rotationsoperationen.- 8.4.3.7 Sprungoperationen.- 8.4.3.8 Sonstige Operationen.- 8.4.4 Ausgewählte Systemoperationen.- 8.4.4.1 Lade- und Transferoperationen.- 8.4.4.2 Arithmetische Operationen.- 8.4.4.3 Sonstige Operationen.