Taschenbuch der Automatisierung

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

0 Einleitung

0.1 Begriff der Automatisierung

0.2 Fachinhalt

1 Strukturen

1.1 Automatisierung technischer Prozesse

1.1.1 Grundbegriffe

1.1.1.1 Prozess und Prozesstechnik

1.1.1.2 Produktionstechnik

1.1.1.3 Informationstechnik

1.1.2 Strukturierung produktionstechnischer Prozesse

1.1.2.1 Prozessabschnitte

1.1.2.2 Prozessoperationen

1.1.2.3 Prozessschritte

1.1.3 Darstellungsformen für Prozesse

1.1.3.1 Grundfließbild

1.1.3.2 Formalisierte Prozessbeschreibungen

1.1.3.3 GRAFCET-Plan

1.1.3.4 Fertigungsablaufplan

1.1.4 Anlagenhierarchien

1.1.4.1 Produktionstechnische Anlagen

1.1.4.2 Teilanlage

1.1.4.3 Technische Einrichtung

1.1.5 Darstellung verfahrenstechnischer Anlagen

1.1.5.1 Fließbilder

1.1.5.2 Anlagen- und Apparatekennzeichen (AKZ)

1.1.6 Charakteristika technischer Prozesse

1.1.6.1 Kontinuierliche Verfahren

1.1.6.2 Diskontinuierliche Verfahren

1.1.6.3 Fertigungen

1.1.6.4 Mengen- und Zeitbegriffe

1.1.7 Anlagenkonzepte

1.1.7.1 Taxonomien nach NAMUR

1.1.7.2 Anlagen für den Fließbetrieb

1.1.7.3 Anlagen für den Absatzbetrieb

1.1.8 Anforderungen an die Leittechnik

1.1.8.1 Anlagentechnische Anforderungen

1.1.8.2 Anforderungen aus Sicht der Produktion

1.2 Strukturen von Prozessleitsystemen

1.2.1 Zielsetzung

1.2.2 Topologien

1.2.2.1 Parallele Technik

1.2.2.2 Zentrale Technik

1.2.2.3 Dezentrale Technik

1.2.3 Prozessnahe Komponenten (PNK)

1.2.3.1 Funktionen

1.2.3.2 Aufbau

1.2.4 Anzeige- und Bedienkomponenten (ABK)

1.2.4.1 Funktionen

1.2.4.2 Aufbau

1.2.5 Engineering Workstations (EWS)

1.2.6 Leitrechnerkomponenten (LRK)

1.2.7 Netzwerkkomponenten

1.2.7.1 Funktionen

1.2.7.2 Topologien und Technologien

1.3 Aktuelle Entwicklungen

2 Rechner

2.1 Einführung

2.2 Rechnerkern

2.2.1 Darstellung von Prozessgrößen

2.2.2 Grundstruktur eines Mikroprozessors

2.2.3 Basisfunktionen einer CPU

2.2.3.1 Befehlsarten

2.2.3.2 Adressierungsarten

2.2.3.3 Multitasking-Unterstützung

2.2.4 Busschnittstelle

2.2.5 Leistungserhöhung des Rechnerkerns

2.2.5.1 Parallelverarbeitung

2.2.5.2 Schneller Zwischenspeicher

2.2.5.3 Mehrkernprozessoren

2.3 Eingabe- und Ausgabesystem

2.3.1 Betriebsarten für die Ein- und Ausgabe

2.3.1.1 Programmierte Ein- und Ausgabe

2.3.1.2 Interruptgesteuerte Ein- und Ausgabe

2.3.1.3 Direkter Speicherzugriff

2.3.2 Prozessrechner-Schnittstellen

2.3.2.1 Bussysteme

2.3.2.2 Punkt-zu-Punkt-Verbindungen

2.4 Spezielle Rechnerstrukturen

2.4.1 Mikrocontroller

2.4.2 Signalprozessoren

2.4.3 Kundenspezifische Controller

2.5 Prozessrechner-Peripherie

2.5.1 Digitalausgabe

2.5.2 Digitaleingabe

2.5.3 Analogausgabe

2.5.4 Analogeingabe

2.5.5 Echtzeituhren

3 Komponenten

3.1 Aufbau eines automatisierten Systems

3.2 Sensoren

3.2.1 Einführung in die Sensortechnik

3.2.1.1 Sensoreigenschaften

3.2.1.2 Physikalische Effekte für Sensoren

3.2.1.3 Signalauswertung

3.2.2 Sensoren und Messverfahren

3.2.2.1 Temperatur

3.2.2.2 Kraft, Masse

3.2.2.3 Druck

3.2.2.4 Drehmoment

3.2.2.5 Länge, Winkel

3.2.2.6 Position, Lage

3.2.2.7 Drehzahl

3.2.2.8 Beschleunigung

3.2.2.9 Durchfluss

3.2.2.10 Füllstand

3.2.2.11 Feuchte

3.2.2.12 Gassensoren

3.3 Aktoren

3.3.1 Einführung in die Aktorik

3.3.2 Stellglieder für Masseströme

3.3.2.1 Übersicht

3.3.2.2 Eigenschaften und Kennlinien

3.3.2.3 Auswahl von Stellgliedern

3.3.3 Stellantriebe

3.3.3.1 Eigenschaften

3.3.3.2 Elektrische Stellantriebe

3.3.3.3 Pneumatische Stellantriebe

3.3.3.4 Hydraulische Stellantriebe

3.3.3.5 Thermische Stellantriebe

3.3.4 Ansteuereinrichtungen

3.4 Automatisierungseinrichtungen

3.4.1 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) – Aufbau und Wirkungsweise

3.4.1.1 Zentralbaugruppe

3.4.1.2 Peripheriebaugruppen

3.4.1.3 Hardwarekonfiguration

3.4.1.4 Einbindung des Anwendungsprogramms

3.4.2 PC-basierte Steuerungen (Soft-SPS)

3.4.3 Programmierbare Automatisierungs-Controller (Programmable Automation Controller, PAC)

3.5 Steuerungen

3.5.1 Einführung in die Steuerungstechnik

3.5.1.1 Stetige Steuerungen

3.5.1.2 Binäre Steuerungen

3.5.2 Technische Realisierung

3.6 Regelungen

3.6.1 Einführung in die Regelungstechnik

3.6.2 Berechnungsmethoden für Regelkreise

3.6.2.1 Linearisierung

3.6.2.2 Differenzialgleichung

3.6.2.3 Laplace-Transformation

3.6.2.4 Test-/Antwort-Funktionen

3.6.2.5 Frequenzgang

3.6.3 Elementare Übertragungsglieder

3.6.3.1 Typische Regelstrecken

3.6.3.2 Typische Regler

3.6.4 Regelkreis

3.6.4.1 Systemverhalten

3.6.4.2 Auswahl geeigneter Regler

3.6.4.3 Statisches Regelverhalten

3.6.4.4 Stabilität von Regelkreisen

3.6.4.5 Regelgüte

3.6.4.6 Einstellregeln

3.6.5 Technische Realisierung von Reglern

3.6.5.1 Elektronische Regler

3.6.5.2 Digitale Regler

3.6.5.3 Pneumatische Regler

3.6.5.4 Regler ohne Hilfsenergie

3.6.6 Ergänzende Regelverfahren

3.6.6.1 Störgrößenaufschaltung

3.6.6.2 Hilfsgrößenaufschaltung

3.6.6.3 Kaskadenregelung

3.6.6.4 Adaptive Regler

3.6.6.5 Schaltende Regler

3.6.6.6 Zweipunktregler ohne Rückführung

3.6.6.7 Zweipunktregler mit Rückführung

3.6.6.8 Dreipunktregler

3.6.7 Fuzzy-Regler

4 Modelle

4.1 Einführung

4.1.1 Modellbildung

4.1.2 Modellnutzung

4.2 Prozessmodelle

4.2.1 Theoretische Prozessanalyse

4.2.1.1 Ablauf der theoretischen Modellbildung

4.2.1.2 Methode der Bilanzgleichungen

4.2.2 Experimentelle Prozessanalyse

4.2.2.1 Modellgüte

4.2.2.2 Testsignale

4.3 Steuer- und Ablaufmodelle

4.3.1 Überblick

4.3.2 Programmablaufplan

4.3.3 Zustands- und Automatengraph

4.3.3.1 Zustandsgraph

4.3.3.2 Automatengraph

4.3.4 Steuernetz

4.3.5 SPS-Modelle

4.3.5.1 Einordnung

4.3.5.2 Der SPS-Standard IEC 61131

4.3.5.3 Software-Modell des Standards IEC 61131-3

4.3.5.4 SPS-Modelle nach IEC 61131-3

4.3.5.5 Zum Umfeld der IEC 61131-3

4.4 Informationstechnische Modelle

4.4.1 Software-Entwicklung

4.4.2 Strukturierte Methoden

4.4.2.1 Systementwicklung und strukturierte Methoden

4.4.2.2 Strukturierte Analyse

4.4.2.3 Real-Time-Analyse

4.4.3 Objektorientierte Methoden

4.4.3.1 Objektorientierte Analyse

4.4.3.2 Unified Modeling Language

4.4.3.3 Webbasierte Methoden

5 Programme

5.1 Betriebssysteme

5.1.1 Begriffe

5.1.1.1 Programmsystem

5.1.1.2 Betriebssystem

5.1.1.3 Anwendungs-Software

5.1.1.4 Ebenenmodell der Programmsysteme

5.1.1.5 Aufträge und Rechenprozesse

5.1.1.6 Betriebsarten

5.1.2 Betriebssystemkern

5.1.2.1 Komponenten

5.1.2.2 Unterbrechungsbearbeitung

5.1.2.3 Prozessverwaltung

5.1.2.4 Zeitverwaltung

5.1.2.5 Speicherverwaltung

5.1.2.6 Geräteverwaltung

5.1.2.7 Dateiverwaltung

5.1.3 Betriebssystemschale

5.1.3.1 Komponenten

5.1.3.2 Betriebssprachen

5.1.3.3 Grafische Bedienoberflächen

5.1.3.4 Programme zur Systempflege

5.1.4 Realzeitbetrieb

5.1.4.1 Begriffe und Voraussetzungen

5.1.4.2 Realzeitprozesse im Singletask-Betrieb

5.1.4.3 Realzeitprozesse im Multitask-Betrieb

5.1.4.4 Realzeitmöglichkeiten marktüblicher Betriebssysteme

5.2 Programmiersprachen

5.2.1 Genealogie

5.2.2 Prozessprogrammiersprachen

5.2.2.1 Allgemeine Kriterien

5.2.2.2 C als Prozessprogrammiersprache

5.2.3 SPS-Programmierung nach DIN EN 61131-3

5.2.3.1 Softwaremodell

5.2.3.2 Grafische Programmiersprachen

5.2.3.3 Textuelle Programmiersprachen

5.2.3.4 Ablaufsprache

5.2.4 Programmierumgebung

5.2.4.1 Editoren

5.2.4.2 Übersetzer

5.2.4.3 Testhilfen

5.3 Objektorientiertes Programmieren

5.3.1 Grundlagen

5.3.1.1 Objekte und Klassen

5.3.1.2 Beziehungen zwischen Objekten

5.3.1.3 Beziehungen zwischen Klassen

5.3.2 Objektorientierte Programmiersprachen

5.3.2.1 Anforderungen

5.3.2.2 Eigenschaften objektorientierter Programmiersprachen

5.3.2.3 Beispiele objektorientierter Sprachen

5.4 Komponentenbasiertes Programmieren

5.4.1 Grundlagen

5.4.1.1 Technische Motivation

5.4.1.2 Anforderungen an Komponentenmodelle

5.4.2 Architekturen und Komponentenmodelle

5.4.2.1 CORBA

5.4.2.2 DCOM

5.4.2.3 Realisierte Komponentenmodelle

6 Kommunikation

6.1 Kommunikationstechnik im industriellen Umfeld

6.1.1 Zweck der industriellen Kommunikationstechnik

6.1.2 Anforderungen an industrielle Kommunikationstechnologien

6.2 Referenzmodelle für Kommunikationssysteme

6.2.1 OSI-Referenzmodell

6.2.2 TCP/IP-Referenzmodell

6.3 Kommunikationstechnologien

6.3.1 Kommunikation auf der physikalischen Ebene

6.3.2 Netzwerktopologien

6.3.3 Medienzugriff

6.3.4 Ethernet

6.3.5 Funktechnologien

6.4 Paketübertragung auf der Netzwerkschicht

6.4.1 IP Version 4 (IPv4)

6.4.2 IP Version 6 (IPv6)

6.5 Industrielle Kommunikationstechnik

6.5.1 Einfache digitale Schnittstellen

6.5.2 Feldbusse

6.5.3 Industrielles Ethernet

7 Mensch-Maschine-Systeme

7.1 Einführung

7.2 Mensch-Maschine-Kommunikation

7.2.1 Aufgaben- und Tätigkeitssituationen

7.2.2 Bedien- und Benutzerfreundlichkeit

7.2.3 Mensch-Rechner-Schnittstelle

7.2.4 Kommunikationsformen

7.3 Grafische Benutzerschnittstellen

7.3.1 Grundlagen

7.3.2 Grafische Systeme und Schnittstellen

7.3.3 Fenstertechnik

7.3.3.1 X-Window-System

7.3.3.2 MS Windows

7.3.4 Interaktion und Dialog

7.3.5 Gestaltung

7.4 Informationsvisualisierung

7.4.1 Grafische Datenanalyse

7.4.1.1 Datenmatrixen

7.4.1.2 Datenbanken

7.4.2 Prozessvisualisierung

7.4.2.1 Bildobjekte für technische Prozesse

7.4.2.2 Erzeugung der Bilddynamik

7.4.2.3 Prozessvisualisierungssysteme

7.4.2.4 Prozessvisualisierung im Internet

7.4.3 Neue Techniken der MMK

7.4.3.1 Virtual Reality

7.4.3.2 Computer Augmented Reality

7.4.3.3 Multimedia

8 Anwendungen

8.1 Rezeptsteuerung und Verfahrenslogistik

8.1.1 Grundbegriffe

8.1.2 Funktionenmodelle und Aufgabenbereiche

8.1.2.1 Funktionenmodell nach NE 33

8.1.2.2 Aufgabenbereiche nach DIN EN 61512-1

8.1.3 Produktunabhängige Steuerungskomponenten für Produktionsprozesse

8.1.3.1 Steuerfunktionselemente

8.1.3.2 Steuerfunktionen

8.1.4 Rezepte

8.1.4.1 Rezeptausprägungen und -hierarchien (nach NAMUR NE 33)

8.1.4.2 Rezeptausprägungen und -hierarchien nach DIN EN 61512-1

8.1.4.3 Aufbau von leittechnischen Grundoperationen und Steueroperationen

8.1.4.4 Darstellungsformen

8.1.5 Steuerungskomponenten für die Rezeptfahrweise und Verfahrenslogistik

8.1.5.1 Teilanlagensteuerung

8.1.5.2 Anlagensteuerung

8.1.6 Rezeptausführung

8.1.6.1 Bearbeitungsstände von Chargen

8.1.6.2 Zustände von Steuerungskomponenten

8.1.7 Bedienkonzepte

8.1.7.1 Betriebsarten von Steuerungskomponenten

8.1.7.2 Bedienen und Beobachten

8.1.8 Chargendokumentation

8.1.9 Erstellen und Pflegen von Rezepten

8.1.9.1 Implementierung von Ausprägungen

8.1.9.2 Erzeugung von Rezeptausprägungen

8.2 Motion Control, Bahnsteuerungen

8.2.1 Einführung, Begriffe

8.2.2 Geregelte elektrische Antriebssysteme

8.2.2.1 Grundlagen Regelung elektrischer Antriebe

8.2.2.1.1 Dynamisches Verhalten elektrischer Antriebe

8.2.2.1.2 Regelkonzepte elektrischer Antriebe

8.2.2.2 Gerätetechnische Ausführung von Umrichtern für Drehstromantriebe

8.2.2.3 Übersicht Umrichterfunktionalität

8.2.2.3.1 Reglergrundfunktionen

8.2.2.3.2 Kommunikations- und Schnittstellenfunktionen

8.2.2.3.3 Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen

8.2.3 Motion Control – Anwendungen

8.2.3.1 Positioniersteuerung

8.2.3.2 Synchronisierte Antriebe

8.2.4 Grundlagen Bahnsteuerungen

8.2.4.1 Teileprogramm und Steuerdatenaufbereitung

8.2.4.2 Geometriedatenerzeugung

8.2.4.3 Bahninterpolator – Trajektoriengenerierung

8.2.4.4 Kinematische Transformationen

8.3 NC-Technik

8.3.1 NC-Maschinen

8.3.2 Grundlagen der Werkstoffbearbeitung

8.3.3 Koordinatensysteme in Werkzeugmaschinen

8.3.4 Numerische Steuerungen

8.3.4.1 NC-Systeme

8.3.4.2 Programmiersprachen

8.3.5 Fertigungssysteme

8.3.6 Fertigungsintegration

8.3.7 Die digitale Fabrik

8.3.8 Ziel und Aufgaben der digitalen Fabrik

8.4 Industrieroboter

8.4.1 Struktur von Industrierobotern

8.4.2 Programmierung von Robotern

8.4.3 Sensorführung

8.4.4 Industrielle Bildverarbeitung

8.4.5 Anwendungsbeispiele

8.5 Intelligente Rechnersysteme

8.5.1 Einleitung

8.5.2 Intelligente Maschinen

8.5.3 Fuzzy-Logik

8.5.3.1 Fuzzy-Sets

8.5.3.2 Zugehörigkeitsfunktionen

8.5.3.3 Fuzzy-Steuerungssystem

8.5.4 Expertensysteme

8.5.4.1 Fuzzy-Expertensysteme

8.5.5 Neuronale Netze

8.5.5.1 Aufbau von neuronalen Netzen

8.5.5.2 Eigenschaften

8.5.5.3 Lerntypen

8.5.5.4 Datendarstellung

8.5.5.5 Typen von neuronalen Netzen

8.5.6 Genetische Algorithmen

9 Projekte

9.1 Projektmanagement

9.1.1 Ziele

9.1.2 Begriffe

9.1.3 Abwicklungsphasen

9.1.3.1 Vorgehensweise im Projekt

9.1.3.2 Grundlagenermittlung

9.1.3.3 Vorplanung

9.1.3.4 Basisplanung

9.1.3.5 Ausführungsplanung

9.1.3.6 Errichtung

9.1.3.7 Inbetriebsetzung

9.1.3.8 Projektabschluss

9.1.4 Qualitätssicherung in der Prozessleittechnik

9.1.4.1 Begriffe

9.1.4.2 Qualitätssicherung in der Produktion

9.1.4.3 Validierung von Prozessen

9.2 Verfügbarkeit und Sicherheit von PLS-Komponenten

9.2.1 Begriffe zur Verfügbarkeit und Sicherheit

9.2.2 Erhöhung der Verfügbarkeit von PLS-Komponenten

9.2.2.1 Eigenüberwachung von PLS-Komponenten

9.2.2.2 Backup- und Redundanzkonzepte

9.2.3 Sicherung von Daten auf Rechnern

9.2.3.1 Backup-Medien

9.2.3.2 Organisatorische Maßnahmen für Backups

9.2.3.3 RAID-Technologie

9.2.4 Schutz gegen unautorisierten Zugang

9.2.5 Schutz gegen feindliche Software (Malware)

9.2.5.1 Malware

9.2.5.2 Viren

9.2.5.3 Würmer und Trojanische Pferde

9.2.5.4 Gegenmaßnahmen

9.3 Sicherheit

9.3.1 Begriffe

9.3.1.1 Sicherheit und Verfügbarkeit

9.3.1.2 Wertebereiche von Prozessgrößen

9.3.1.3 Erhöhung der Anlagensicherheit

9.3.1.4 Sicherheitsanalysen

9.3.2 Einteilung der PLT-Einrichtungen

9.3.2.1 Klassifizierung nach VDI/VDE und NAMUR

9.3.2.2 Darstellung der Funktionalität

9.3.3 Überwachungseinrichtungen

9.3.4 Schutz- und Schadensbegrenzungseinrichtungen

9.3.4.1 Allgemeine Kriterien

9.3.4.2 PLT-Schutzeinrichtungen

9.3.4.3 PLT-Schadensbegrenzungseinrichtungen

10 Anhang

10.1 Normen und Richtlinien

10.1.1 Normen-Auskunftszentren

10.1.2 Normungsinstitutionen

10.1.3 Bezeichnungen von Normen und Standards

10.1.4 DIN-Normen

10.1.5 VDI/VDE-Richtlinien

10.1.6 NAMUR-Richtlinien

10.1.7 Internationale Standards

10.2 Gremien und Verbände

10.3 Messen, Ausstellungen und Veranstaltungen

10.4 Abkürzungen

Literaturverzeichnis

Sachwortverzeichnis