Reinhard Langmann
Taschenbuch der Automatisierung
Vorwort
8
Inhaltsverzeichnis
10
0 Einleitung
20
0.1 Begriff der Automatisierung
20
0.2 Fachinhalt
20
1 Strukturen
23
1.1 Automatisierung technischer Prozesse
23
1.1.1 Grundbegriffe
23
1.1.1.1 Prozess und Prozesstechnik
23
1.1.1.2 Produktionstechnik
23
1.1.1.3 Informationstechnik
24
1.1.2 Strukturierung produktionstechnischer Prozesse
24
1.1.2.1 Prozessabschnitte
24
1.1.2.2 Prozessoperationen
25
1.1.2.3 Prozessschritte
26
1.1.3 Darstellungsformen für Prozesse
26
1.1.3.1 Grundfließbild
26
1.1.3.2 Formalisierte Prozessbeschreibungen
27
1.1.3.3 GRAFCET-Plan
29
1.1.3.4 Fertigungsablaufplan
30
1.1.4 Anlagenhierarchien
30
1.1.4.1 Produktionstechnische Anlagen
30
1.1.4.2 Teilanlage
31
1.1.4.3 Technische Einrichtung
32
1.1.5 Darstellung verfahrenstechnischer Anlagen
34
1.1.5.1 Fließbilder
34
1.1.5.2 Anlagen- und Apparatekennzeichen (AKZ)
36
1.1.6 Charakteristika technischer Prozesse
39
1.1.6.1 Kontinuierliche Verfahren
39
1.1.6.2 Diskontinuierliche Verfahren
39
1.1.6.3 Fertigungen
40
1.1.6.4 Mengen- und Zeitbegriffe
40
1.1.7 Anlagenkonzepte
41
1.1.7.1 Taxonomien nach NAMUR
41
1.1.7.2 Anlagen für den Fließbetrieb
42
1.1.7.3 Anlagen für den Absatzbetrieb
42
1.1.8 Anforderungen an die Leittechnik
43
1.1.8.1 Anlagentechnische Anforderungen
43
1.1.8.2 Anforderungen aus Sicht der Produktion
44
1.2 Strukturen von Prozessleitsystemen
46
1.2.1 Zielsetzung
46
1.2.2 Topologien
47
1.2.2.1 Parallele Technik
47
1.2.2.2 Zentrale Technik
48
1.2.2.3 Dezentrale Technik
48
1.2.3 Prozessnahe Komponenten (PNK)
50
1.2.3.1 Funktionen
50
1.2.3.2 Aufbau
50
1.2.4 Anzeige- und Bedienkomponenten (ABK)
51
1.2.4.1 Funktionen
51
1.2.4.2 Aufbau
52
1.2.5 Engineering Workstations (EWS)
53
1.2.6 Leitrechnerkomponenten (LRK)
53
1.2.7 Netzwerkkomponenten
54
1.2.7.1 Funktionen
54
1.2.7.2 Topologien und Technologien
54
1.3 Aktuelle Entwicklungen
55
2 Rechner
58
2.1 Einführung
58
2.2 Rechnerkern
59
2.2.1 Darstellung von Prozessgrößen
59
2.2.2 Grundstruktur eines Mikroprozessors
64
2.2.3 Basisfunktionen einer CPU
66
2.2.3.1 Befehlsarten
67
2.2.3.2 Adressierungsarten
69
2.2.3.3 Multitasking-Unterstützung
71
2.2.4 Busschnittstelle
74
2.2.5 Leistungserhöhung des Rechnerkerns
77
2.2.5.1 Parallelverarbeitung
77
2.2.5.2 Schneller Zwischenspeicher
79
2.2.5.3 Mehrkernprozessoren
80
2.3 Eingabe- und Ausgabesystem
81
2.3.1 Betriebsarten für die Ein- und Ausgabe
82
2.3.1.1 Programmierte Ein- und Ausgabe
82
2.3.1.2 Interruptgesteuerte Ein- und Ausgabe
83
2.3.1.3 Direkter Speicherzugriff
86
2.3.2 Prozessrechner-Schnittstellen
87
2.3.2.1 Bussysteme
88
2.3.2.2 Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
90
2.4 Spezielle Rechnerstrukturen
92
2.4.1 Mikrocontroller
92
2.4.2 Signalprozessoren
95
2.4.3 Kundenspezifische Controller
96
2.5 Prozessrechner-Peripherie
96
2.5.1 Digitalausgabe
97
2.5.2 Digitaleingabe
97
2.5.3 Analogausgabe
99
2.5.4 Analogeingabe
100
2.5.5 Echtzeituhren
103
3 Komponenten
104
3.1 Aufbau eines automatisierten Systems
104
3.2 Sensoren
106
3.2.1 Einführung in die Sensortechnik
106
3.2.1.1 Sensoreigenschaften
107
3.2.1.2 Physikalische Effekte für Sensoren
108
3.2.1.3 Signalauswertung
111
3.2.2 Sensoren und Messverfahren
113
3.2.2.1 Temperatur
113
3.2.2.2 Kraft, Masse
119
3.2.2.3 Druck
120
3.2.2.4 Drehmoment
124
3.2.2.5 Länge, Winkel
125
3.2.2.6 Position, Lage
127
3.2.2.7 Drehzahl
128
3.2.2.8 Beschleunigung
129
3.2.2.9 Durchfluss
130
3.2.2.10 Füllstand
135
3.2.2.11 Feuchte
139
3.2.2.12 Gassensoren
142
3.3 Aktoren
144
3.3.1 Einführung in die Aktorik
144
3.3.2 Stellglieder für Masseströme
145
3.3.2.1 Übersicht
146
3.3.2.2 Eigenschaften und Kennlinien
146
3.3.2.3 Auswahl von Stellgliedern
149
3.3.3 Stellantriebe
150
3.3.3.1 Eigenschaften
150
3.3.3.2 Elektrische Stellantriebe
151
3.3.3.3 Pneumatische Stellantriebe
152
3.3.3.4 Hydraulische Stellantriebe
153
3.3.3.5 Thermische Stellantriebe
154
3.3.4 Ansteuereinrichtungen
156
3.4 Automatisierungseinrichtungen
157
3.4.1 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) – Aufbau und Wirkungsweise
159
3.4.1.1 Zentralbaugruppe
161
3.4.1.2 Peripheriebaugruppen
161
3.4.1.3 Hardwarekonfiguration
161
3.4.1.4 Einbindung des Anwendungsprogramms
162
3.4.2 PC-basierte Steuerungen (Soft-SPS)
163
3.4.3 Programmierbare Automatisierungs-Controller (Programmable Automation Controller, PAC)
164
3.5 Steuerungen
165
3.5.1 Einführung in die Steuerungstechnik
165
3.5.1.1 Stetige Steuerungen
165
3.5.1.2 Binäre Steuerungen
166
3.5.2 Technische Realisierung
167
3.6 Regelungen
168
3.6.1 Einführung in die Regelungstechnik
169
3.6.2 Berechnungsmethoden für Regelkreise
170
3.6.2.1 Linearisierung
171
3.6.2.2 Differenzialgleichung
172
3.6.2.3 Laplace-Transformation
172
3.6.2.4 Test-/Antwort-Funktionen
173
3.6.2.5 Frequenzgang
174
3.6.3 Elementare Übertragungsglieder
175
3.6.3.1 Typische Regelstrecken
175
3.6.3.2 Typische Regler
179
3.6.4 Regelkreis
182
3.6.4.1 Systemverhalten
183
3.6.4.2 Auswahl geeigneter Regler
183
3.6.4.3 Statisches Regelverhalten
183
3.6.4.4 Stabilität von Regelkreisen
184
3.6.4.5 Regelgüte
187
3.6.4.6 Einstellregeln
188
3.6.5 Technische Realisierung von Reglern
192
3.6.5.1 Elektronische Regler
192
3.6.5.2 Digitale Regler
193
3.6.5.3 Pneumatische Regler
194
3.6.5.4 Regler ohne Hilfsenergie
194
3.6.6 Ergänzende Regelverfahren
194
3.6.6.1 Störgrößenaufschaltung
195
3.6.6.2 Hilfsgrößenaufschaltung
196
3.6.6.3 Kaskadenregelung
197
3.6.6.4 Adaptive Regler
197
3.6.6.5 Schaltende Regler
199
3.6.6.6 Zweipunktregler ohne Rückführung
199
3.6.6.7 Zweipunktregler mit Rückführung
200
3.6.6.8 Dreipunktregler
201
3.6.7 Fuzzy-Regler
201
4 Modelle
205
4.1 Einführung
205
4.1.1 Modellbildung
205
4.1.2 Modellnutzung
206
4.2 Prozessmodelle
207
4.2.1 Theoretische Prozessanalyse
208
4.2.1.1 Ablauf der theoretischen Modellbildung
208
4.2.1.2 Methode der Bilanzgleichungen
209
4.2.2 Experimentelle Prozessanalyse
211
4.2.2.1 Modellgüte
211
4.2.2.2 Testsignale
212
4.3 Steuer- und Ablaufmodelle
213
4.3.1 Überblick
213
4.3.2 Programmablaufplan
216
4.3.3 Zustands- und Automatengraph
220
4.3.3.1 Zustandsgraph
220
4.3.3.2 Automatengraph
221
4.3.4 Steuernetz
226
4.3.5 SPS-Modelle
229
4.3.5.1 Einordnung
229
4.3.5.2 Der SPS-Standard IEC 61131
230
4.3.5.3 Software-Modell des Standards IEC 61131-3
231
4.3.5.4 SPS-Modelle nach IEC 61131-3
233
4.3.5.5 Zum Umfeld der IEC 61131-3
241
4.4 Informationstechnische Modelle
242
4.4.1 Software-Entwicklung
242
4.4.2 Strukturierte Methoden
244
4.4.2.1 Systementwicklung und strukturierte Methoden
244
4.4.2.2 Strukturierte Analyse
247
4.4.2.3 Real-Time-Analyse
249
4.4.3 Objektorientierte Methoden
252
4.4.3.1 Objektorientierte Analyse
252
4.4.3.2 Unified Modeling Language
253
4.4.3.3 Webbasierte Methoden
254
5 Programme
257
5.1 Betriebssysteme
257
5.1.1 Begriffe
257
5.1.1.1 Programmsystem
257
5.1.1.2 Betriebssystem
257
5.1.1.3 Anwendungs-Software
258
5.1.1.4 Ebenenmodell der Programmsysteme
258
5.1.1.5 Aufträge und Rechenprozesse
258
5.1.1.6 Betriebsarten
259
5.1.2 Betriebssystemkern
260
5.1.2.1 Komponenten
260
5.1.2.2 Unterbrechungsbearbeitung
262
5.1.2.3 Prozessverwaltung
263
5.1.2.4 Zeitverwaltung
271
5.1.2.5 Speicherverwaltung
272
5.1.2.6 Geräteverwaltung
274
5.1.2.7 Dateiverwaltung
276
5.1.3 Betriebssystemschale
280
5.1.3.1 Komponenten
280
5.1.3.2 Betriebssprachen
281
5.1.3.3 Grafische Bedienoberflächen
281
5.1.3.4 Programme zur Systempflege
283
5.1.4 Realzeitbetrieb
283
5.1.4.1 Begriffe und Voraussetzungen
283
5.1.4.2 Realzeitprozesse im Singletask-Betrieb
284
5.1.4.3 Realzeitprozesse im Multitask-Betrieb
285
5.1.4.4 Realzeitmöglichkeiten marktüblicher Betriebssysteme
286
5.2 Programmiersprachen
287
5.2.1 Genealogie
287
5.2.2 Prozessprogrammiersprachen
288
5.2.2.1 Allgemeine Kriterien
288
5.2.2.2 C als Prozessprogrammiersprache
288
5.2.3 SPS-Programmierung nach DIN EN 61131-3
289
5.2.3.1 Softwaremodell
289
5.2.3.2 Grafische Programmiersprachen
290
5.2.3.3 Textuelle Programmiersprachen
293
5.2.3.4 Ablaufsprache
294
5.2.4 Programmierumgebung
296
5.2.4.1 Editoren
296
5.2.4.2 Übersetzer
297
5.2.4.3 Testhilfen
298
5.3 Objektorientiertes Programmieren
299
5.3.1 Grundlagen
299
5.3.1.1 Objekte und Klassen
299
5.3.1.2 Beziehungen zwischen Objekten
300
5.3.1.3 Beziehungen zwischen Klassen
301
5.3.2 Objektorientierte Programmiersprachen
302
5.3.2.1 Anforderungen
302
5.3.2.2 Eigenschaften objektorientierter Programmiersprachen
302
5.3.2.3 Beispiele objektorientierter Sprachen
303
5.4 Komponentenbasiertes Programmieren
306
5.4.1 Grundlagen
306
5.4.1.1 Technische Motivation
306
5.4.1.2 Anforderungen an Komponentenmodelle
306
5.4.2 Architekturen und Komponentenmodelle
307
5.4.2.1 CORBA
307
5.4.2.2 DCOM
309
5.4.2.3 Realisierte Komponentenmodelle
309
6 Kommunikation
312
6.1 Kommunikationstechnik im industriellen Umfeld
312
6.1.1 Zweck der industriellen Kommunikationstechnik
312
6.1.2 Anforderungen an industrielle Kommunikationstechnologien
313
6.2 Referenzmodelle für Kommunikationssysteme
314
6.2.1 OSI-Referenzmodell
316
6.2.2 TCP/IP-Referenzmodell
320
6.3 Kommunikationstechnologien
323
6.3.1 Kommunikation auf der physikalischen Ebene
324
6.3.2 Netzwerktopologien
337
6.3.3 Medienzugriff
342
6.3.4 Ethernet
356
6.3.5 Funktechnologien
366
6.4 Paketübertragung auf der Netzwerkschicht
385
6.4.1 IP Version 4 (IPv4)
387
6.4.2 IP Version 6 (IPv6)
393
6.5 Industrielle Kommunikationstechnik
397
6.5.1 Einfache digitale Schnittstellen
397
6.5.2 Feldbusse
403
6.5.3 Industrielles Ethernet
419
7 Mensch-Maschine-Systeme
425
7.1 Einführung
425
7.2 Mensch-Maschine-Kommunikation
427
7.2.1 Aufgaben- und Tätigkeitssituationen
427
7.2.2 Bedien- und Benutzerfreundlichkeit
428
7.2.3 Mensch-Rechner-Schnittstelle
429
7.2.4 Kommunikationsformen
429
7.3 Grafische Benutzerschnittstellen
430
7.3.1 Grundlagen
430
7.3.2 Grafische Systeme und Schnittstellen
431
7.3.3 Fenstertechnik
433
7.3.3.1 X-Window-System
434
7.3.3.2 MS Windows
434
7.3.4 Interaktion und Dialog
435
7.3.5 Gestaltung
436
7.4 Informationsvisualisierung
441
7.4.1 Grafische Datenanalyse
442
7.4.1.1 Datenmatrixen
442
7.4.1.2 Datenbanken
443
7.4.2 Prozessvisualisierung
444
7.4.2.1 Bildobjekte für technische Prozesse
445
7.4.2.2 Erzeugung der Bilddynamik
446
7.4.2.3 Prozessvisualisierungssysteme
449
7.4.2.4 Prozessvisualisierung im Internet
450
7.4.3 Neue Techniken der MMK
453
7.4.3.1 Virtual Reality
454
7.4.3.2 Computer Augmented Reality
455
7.4.3.3 Multimedia
456
8 Anwendungen
457
8.1 Rezeptsteuerung und Verfahrenslogistik
457
8.1.1 Grundbegriffe
457
8.1.2 Funktionenmodelle und Aufgabenbereiche
458
8.1.2.1 Funktionenmodell nach NE 33
458
8.1.2.2 Aufgabenbereiche nach DIN EN 61512-1
460
8.1.3 Produktunabhängige Steuerungskomponenten für Produktionsprozesse
460
8.1.3.1 Steuerfunktionselemente
460
8.1.3.2 Steuerfunktionen
461
8.1.4 Rezepte
463
8.1.4.1 Rezeptausprägungen und -hierarchien (nach NAMUR NE 33)
463
8.1.4.2 Rezeptausprägungen und -hierarchien nach DIN EN 61512-1
466
8.1.4.3 Aufbau von leittechnischen Grundoperationen und Steueroperationen
468
8.1.4.4 Darstellungsformen
469
8.1.5 Steuerungskomponenten für die Rezeptfahrweise und Verfahrenslogistik
471
8.1.5.1 Teilanlagensteuerung
471
8.1.5.2 Anlagensteuerung
472
8.1.6 Rezeptausführung
473
8.1.6.1 Bearbeitungsstände von Chargen
473
8.1.6.2 Zustände von Steuerungskomponenten
473
8.1.7 Bedienkonzepte
475
8.1.7.1 Betriebsarten von Steuerungskomponenten
475
8.1.7.2 Bedienen und Beobachten
477
8.1.8 Chargendokumentation
477
8.1.9 Erstellen und Pflegen von Rezepten
477
8.1.9.1 Implementierung von Ausprägungen
477
8.1.9.2 Erzeugung von Rezeptausprägungen
478
8.2 Motion Control, Bahnsteuerungen
479
8.2.1 Einführung, Begriffe
479
8.2.2 Geregelte elektrische Antriebssysteme
481
8.2.2.1 Grundlagen Regelung elektrischer Antriebe
481
8.2.2.1.1 Dynamisches Verhalten elektrischer Antriebe
481
8.2.2.1.2 Regelkonzepte elektrischer Antriebe
484
8.2.2.2 Gerätetechnische Ausführung von Umrichtern für Drehstromantriebe
486
8.2.2.3 Übersicht Umrichterfunktionalität
487
8.2.2.3.1 Reglergrundfunktionen
489
8.2.2.3.2 Kommunikations- und Schnittstellenfunktionen
490
8.2.2.3.3 Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen
491
8.2.3 Motion Control – Anwendungen
492
8.2.3.1 Positioniersteuerung
493
8.2.3.2 Synchronisierte Antriebe
494
8.2.4 Grundlagen Bahnsteuerungen
496
8.2.4.1 Teileprogramm und Steuerdatenaufbereitung
497
8.2.4.2 Geometriedatenerzeugung
498
8.2.4.3 Bahninterpolator – Trajektoriengenerierung
498
8.2.4.4 Kinematische Transformationen
500
8.3 NC-Technik
500
8.3.1 NC-Maschinen
500
8.3.2 Grundlagen der Werkstoffbearbeitung
501
8.3.3 Koordinatensysteme in Werkzeugmaschinen
502
8.3.4 Numerische Steuerungen
504
8.3.4.1 NC-Systeme
504
8.3.4.2 Programmiersprachen
506
8.3.5 Fertigungssysteme
508
8.3.6 Fertigungsintegration
510
8.3.7 Die digitale Fabrik
512
8.3.8 Ziel und Aufgaben der digitalen Fabrik
513
8.4 Industrieroboter
515
8.4.1 Struktur von Industrierobotern
515
8.4.2 Programmierung von Robotern
518
8.4.3 Sensorführung
520
8.4.4 Industrielle Bildverarbeitung
523
8.4.5 Anwendungsbeispiele
527
8.5 Intelligente Rechnersysteme
529
8.5.1 Einleitung
529
8.5.2 Intelligente Maschinen
530
8.5.3 Fuzzy-Logik
531
8.5.3.1 Fuzzy-Sets
532
8.5.3.2 Zugehörigkeitsfunktionen
533
8.5.3.3 Fuzzy-Steuerungssystem
534
8.5.4 Expertensysteme
535
8.5.4.1 Fuzzy-Expertensysteme
537
8.5.5 Neuronale Netze
537
8.5.5.1 Aufbau von neuronalen Netzen
537
8.5.5.2 Eigenschaften
538
8.5.5.3 Lerntypen
539
8.5.5.4 Datendarstellung
540
8.5.5.5 Typen von neuronalen Netzen
540
8.5.6 Genetische Algorithmen
541
9 Projekte
542
9.1 Projektmanagement
542
9.1.1 Ziele
542
9.1.2 Begriffe
542
9.1.3 Abwicklungsphasen
545
9.1.3.1 Vorgehensweise im Projekt
545
9.1.3.2 Grundlagenermittlung
546
9.1.3.3 Vorplanung
547
9.1.3.4 Basisplanung
547
9.1.3.5 Ausführungsplanung
548
9.1.3.6 Errichtung
551
9.1.3.7 Inbetriebsetzung
551
9.1.3.8 Projektabschluss
552
9.1.4 Qualitätssicherung in der Prozessleittechnik
552
9.1.4.1 Begriffe
552
9.1.4.2 Qualitätssicherung in der Produktion
554
9.1.4.3 Validierung von Prozessen
554
9.2 Verfügbarkeit und Sicherheit von PLS-Komponenten
557
9.2.1 Begriffe zur Verfügbarkeit und Sicherheit
557
9.2.2 Erhöhung der Verfügbarkeit von PLS-Komponenten
558
9.2.2.1 Eigenüberwachung von PLS-Komponenten
558
9.2.2.2 Backup- und Redundanzkonzepte
560
9.2.3 Sicherung von Daten auf Rechnern
562
9.2.3.1 Backup-Medien
562
9.2.3.2 Organisatorische Maßnahmen für Backups
563
9.2.3.3 RAID-Technologie
564
9.2.4 Schutz gegen unautorisierten Zugang
565
9.2.5 Schutz gegen feindliche Software (Malware)
566
9.2.5.1 Malware
566
9.2.5.2 Viren
567
9.2.5.3 Würmer und Trojanische Pferde
567
9.2.5.4 Gegenmaßnahmen
568
9.3 Sicherheit
570
9.3.1 Begriffe
570
9.3.1.1 Sicherheit und Verfügbarkeit
570
9.3.1.2 Wertebereiche von Prozessgrößen
570
9.3.1.3 Erhöhung der Anlagensicherheit
572
9.3.1.4 Sicherheitsanalysen
573
9.3.2 Einteilung der PLT-Einrichtungen
574
9.3.2.1 Klassifizierung nach VDI/VDE und NAMUR
574
9.3.2.2 Darstellung der Funktionalität
575
9.3.3 Überwachungseinrichtungen
576
9.3.4 Schutz- und Schadensbegrenzungseinrichtungen
577
9.3.4.1 Allgemeine Kriterien
577
9.3.4.2 PLT-Schutzeinrichtungen
578
9.3.4.3 PLT-Schadensbegrenzungseinrichtungen
582
10 Anhang
583
10.1 Normen und Richtlinien
583
10.1.1 Normen-Auskunftszentren
583
10.1.2 Normungsinstitutionen
583
10.1.3 Bezeichnungen von Normen und Standards
583
10.1.4 DIN-Normen
584
10.1.5 VDI/VDE-Richtlinien
586
10.1.6 NAMUR-Richtlinien
589
10.1.7 Internationale Standards
589
10.2 Gremien und Verbände
590
10.3 Messen, Ausstellungen und Veranstaltungen
591
10.4 Abkürzungen
592
Literaturverzeichnis
598
Sachwortverzeichnis
614
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