1. gliederung und einführung
Post on 16-Jan-2022
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Grundlagen derAutomatisierungstechnik
(Automatisierungstechnik 1)
1. Gliederung und Einführung
GdA
2WiSe 19/20 Georg Frey
Motivation
• Warum Beschäftigung mit Automatisierung in der Mechatronik und imMaschinenbau? Beispiel Maschinen und Anlagen:
• Steigender Anteil Elektronik + Softwaream Entwicklungsaufwand
Quelle: McKinsey
Entwicklungsaufwand
Jahr
2
GdA
3WiSe 19/20 Georg Frey
Wer macht AT: Die großen 8
Schneider
Télémécanique
Square D
Modicon
SchneiderElectric
Merlin Gérin
“TransparentFactory”
SACDA
Profimatics
P&F SafetySystems
L&N
Measurex
InterplantConsulting
Allied Signal
POMS
Honeywell
Experion PKS,TotalPlant
RockwellSoftware
Dodge
Allen-Bradley
Reliance
RockwellAutomation
RSview
Moore
Milltronics
Axiva
ORSI
Siemens
Compex
Vickers
Turbi-Werke
"TotallyIntegrated
Automation"
Intellution
GE Industrial
GE Fanuc
Cimplicity
FisherRosemountl
PC&E
Emerson
CSI
WestinghousePCD
Kenonics
MDC
ControlTechniques
Saab MarineElectronics
Delta V,Plantweb
Wonderware
Triconex
Eurotherm
APV
Baan
Foxboro
AVANTIS
PACSIM
SimSci-Esscor
WalshAutomation
Invensys
Esscor
ArchestA
Hartmann &Braun
Fisher &Porter
CombustionEngineering
Alfa-LavalAutomation
AugustSystems
ElsagBailey
CellierEngineering
Skyva
ABB
IndustrialIT
GdA
4WiSe 19/20 Georg Frey
Wer macht welche AT?
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GdA
5WiSe 19/20 Georg Frey
Motivation
• charakteristisch: zyklische, koordinierte Bewegungen
Steigender Anteil der Steuerungs-Software Beispiel: Verpackungsmaschine
GdA
6WiSe 19/20 Georg Frey
Motivation
charakteristisch: zyklische, koordinierte Bewegungen Folie stückweise weiterziehen
Schieber öffnen Folie längsverschweißen Folie zusammendrücken
und zuschweißen Folie abschneiden
Wie werden zyklischeBewegungen erzeugt?
Steigender Anteil der Steuerungs-Software Beispiel: Verpackungsmaschine
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GdA
7WiSe 19/20 Georg Frey
Motivation
Frühere Antriebslösung:
Steigender Anteil der Steuerungs-Software Beispiel: Verpackungsmaschine
GdA
8WiSe 19/20 Georg Frey
Motivation
Frühere Antriebslösung:
Steigender Anteil der Steuerungs-Software Beispiel: Verpackungsmaschine
Umsetzung der Bewegung über Kurvenscheiben und Hebel umständlich und unflexibel
5
GdA
9WiSe 19/20 Georg Frey
Motivation
• Kopplung des Vorschubs an andere Bewegungen Tüten haben festgelegte Länge
• Kopplung des Messers an andere Bewegungen Tüten haben festgelegte Breite
• Kopplung des Schließers an andere Bewegungen Tüten haben festgelegte Füllmenge
fehlende Flexibilität
Beispiel: Verpackungsmaschine mitfrüherer Antriebslösung:
GdA
10WiSe 19/20 Georg Frey
Motivation
Heutige Antriebslösung:
Servomotor Servomotor
Steuerung
Servoverstärker Servoverstärker
Bedienpult
Steigender Anteil der Steuerungs-Software Beispiel: Verpackungsmaschine
Steigender Anteil anElektronik und Software in Maschinen
flexible Anpassungeinzelner Bewegungen möglich
Koordination der Bewegungenüber Software-Steuerung erforderlich
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GdA
11WiSe 19/20 Georg Frey
Motivation
• Warum Beschäftigung mit Automatisierung in der Mechatronik? Beispiel Kraftfahrzeuge:
• Steigender Anteil Elektronik + Software an den Entwicklungskosten• Gründe: wachsendes
Komfort-bedürfnis
steigendeGesetzes-anforderungen
SubstitutionmechanischerKomponenten
zunehmendeAutomatisierung
GdA
12WiSe 19/20 Georg Frey
Motivation
• Warum Beschäftigung mit Automatisierung in der Mechatronik? Nicht nur die Produkte basieren zu wesentlichen Anteilen auf
Automatisierungstechnik, sondern auch
ihre Produktion.
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GdA
13WiSe 19/20 Georg Frey
Was ist Technik?
DerEinsatz
vontechnischen Mitteln
zumErreichen
vonZielen
zurBeeinflussung
vonProzessen
GdA
14WiSe 19/20 Georg Frey
Was ist Automatisierungstechnik?
DerEinsatz
vontechnischen Mitteln
zumErreichen
vonZielen
selbsttätigen
zurBeeinflussung
vonProzessen
1. WelcheProzesse?
2. WelcheZiele?
3. WelcheMittel?
Automatisierung Ursprungim griechischen automatos(= sich selbst bewegend)
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GdA
15WiSe 19/20 Georg Frey
Was ist ein Prozess?
• Definition „Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem System, durch die
Materie, Energie oder auch Information umgeformt, transportiert oder auchgespeichert wird.“ [DIN 19226]
Prozess =Gesamtheit der Vorgänge zum
Umformen, zum Transportoder zur Speicherung
MaterieEnergie
Information
MaterieEnergie
Information
GdA
16WiSe 19/20 Georg Frey
Was ist ein technischer Prozess?
• Definition „Ein technischer Prozess ist ein Prozess, dessen physikalische Größen mit
technischen Mitteln erfasst und beeinflusst werden.“ [DIN 19226]
Prozess =Gesamtheit der Vorgänge zum
Umformen, zum Transportoder zur Speicherung
MaterieEnergie
Information
MaterieEnergie
Information
Einflussgrößen
Ergebnisgrößen
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GdA
17WiSe 19/20 Georg Frey
Was ist ein technischer Prozess?
TechnischerProzess
Zustandvorher
Zustandnachher
von: Materie, Energie, Information von: Materie, Energie, Information
Prozessdatenvom Sensor
Stellgrößeam Aktor
• Definition „Ein technischer Prozess ist ein Prozess, dessen
physikalische Größen mit technischen Mitteln erfasst undbeeinflusst werden.“ [DIN 19226]
GdA
18WiSe 19/20 Georg Frey
Welche Prozesse werden behandelt?
Besonders interessant: Produktionsprozessezur Herstellung von
• Farben, Bier, el. Strom• in kontinuierlichen
Größen gemessen• Herstellung erfolgt
kontinuierlich oderdiskontinuierlich (Batch-Processing)
• Leiterplatten, ICs, Autos• in Stück gemessen• Herstellung erfolgt
diskontinuierlich(stückweise)
Mischformen sind möglich!
Fließgütern (Processing) Stückgütern (Manufacturing)
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GdA
19WiSe 19/20 Georg Frey
• Gebiete der Automatisierung Prozessautomatisierung
• Erdölraffinierie, Kohlekraftwerk, ... Fertigungsautomatisierung
• Montage, Handhabung, Werkzeugmaschinen, ... Geräteautomatisierung
• Waschmaschine, Getränkeautomat, Digitalkamera, ... Gebäudeautomatisierung
• Last- und Personenaufzüge, Heizungs- und Lüftungsanlagen, ... Verkehrsautomatisierung
• Verkehrsleitsystem, Gepäcktransportsystem, ... Fahrzeugautomatisierung
• Motorsteuerung, ABS, ESP, ...
Was wird noch automatisiert?
GdA
20WiSe 19/20 Georg Frey
DerEinsatz
vontechnischen Mitteln
zumErreichen
vonZielen
selbsttätigen
zurBeeinflussung
vonProzessen
Das ist Automatisierungstechnik
TechnischeProzesse
2. WelcheZiele?
3. WelcheMittel?
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GdA
21WiSe 19/20 Georg Frey
Was will Automatisierungstechnik?
• Für einen Vorgang / ein Gerät / eine Anlage soll die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, (funktionale) Sicherheit, Verlässlichkeit (Dependability) Integrität, Wartbarkeit Geschwindigkeit und/oder Präzision bzw. Qualitäterhöht werden und/oder die Kostengesenkt werden
• Der Mensch soll/muss (partiell) ersetzt werden, um dies zu erreichen.• Aber das Weg-Rationalisieren des Menschen ist kein Selbstzweck!
Hohe Verantwortung, Abwägung der Ziele und Mittel
GdA
22WiSe 19/20 Georg Frey
Was will Automatisierungstechnik?
• Beispiele für die Unterstützung und Entlastung des Menschen beimBetrieb eines technischen Prozesses: Bei monotonen wiederkehrenden Arbeiten (z.B. Bestücken von Leiterplatten,
Punktschweißen von Karosserieteilen). Bei Prozessen mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit, d.h. Vorgängen, die so schnell
ablaufen, dass der Mensch sie nicht mehr verfolgen oder eingreifen kann (z.B. beimSchneiden von Papierbahnen)
Bei Prozessen, die eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit erfordern (z. B.Überdruckabschaltung in einem Kompressor).
Bei Prozessen, die in gesundheitsgefährdender Umgebung anfallen (z.B. dasEinführen von Brennelementen in Kernkraftwerken)
Bei Prozessen, bei denen eine große Datenflut anfällt, die manuell nicht mehr zubewältigen ist.
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GdA
23WiSe 19/20 Georg Frey
Das will Automatisierungstechnik
DerEinsatz
vontechnischen Mitteln
zumErreichen
vonZielen
selbsttätigen
zurBeeinflussung
vonProzessen
TechnischeProzesse
3. WelcheMittel?
DefinierteZiele
Inhalt dieserVorlesung
GdA
24WiSe 19/20 Georg Frey
Was ist ein Automat?
• Automat: Mittel zur Automatisierung• DIN 19233:
„Ein Automat ist ein künstliches System,das selbsttätig ein Programm befolgt.Auf Grund des Programmstrifft das System Entscheidungen,die auf der Verknüpfung von Eingaben mitden jeweiligen Zuständen des Systems beruhenund Ausgaben zur Folge haben.“
Automat
EingabenAusgaben
Programm
Zustände
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GdA
25WiSe 19/20 Georg Frey
Mittel der Automatisierung
TechnischerProzess
Zustandvorher
Zustandnachher
von: Materie, Energie, Information
Prozessdatenvom Sensor
Stellgrößeam Aktor
von: Materie, Energie, Information
• Vollständige Automatisierung eines technischen Prozesses
AutomatProgramm
Zustände
Mensch
AnzeigenBeobachten
StartStopp
GdA
26WiSe 19/20 Georg Frey
Automatisierung technischer Prozesse
TechnischerProzess
Zustandvorher
Zustandnachher
von: Materie, Energie, Information
Automat
Mensch
Prozessdatenvom Sensor
Stellgrößeam Aktor
AnzeigenBeobachten
Bedienen
von: Materie, Energie, Information
direkteBeobachtung
direkterEingriff
• teilweise Automatisierung eines technischen Prozesses
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GdA
27WiSe 19/20 Georg Frey
Auswirkungen auf den Menschen
• Minderbedarf an menschlicher Arbeitskraft im engeren Produktionsbereich• Mehrbedarf an menschlicher Arbeitskraft (Intelligenz) im Bereich höherer Qualifikation• Mehrbedarf an hochwertiger Technik• Gezielte Einbeziehung des Menschen im Gesamtsystem Prozess-Automatisierung-Mensch
Prozess
Mensch
Automatisierung
GdA
28WiSe 19/20 Georg Frey
Entwurf von Automatisierungssystemen
TechnischerProzess
Zustandvorher
Zustandnachher
von: Materie, Energie, Information
Prozessdatenvom Sensor
Stellgrößeam Aktor
von: Materie, Energie, Information
AutomatProgramm
Zustände
• Der systematische, mathematisch fundierte Entwurf eines Automatensetzt eine mathematische Beschreibung des technischen Prozesses der eingesetzten Sensoren und Aktoren
voraus.
Aktor(math. beschrieben)
Sensor(math. beschrieben)
Prozessmath. beschrieben
Bedienen Automatmath. beschrieben
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GdA
29WiSe 19/20 Georg Frey
Prinzip der Automatisierung
• Zeitveränderliche Größen:(1) Vorgaben(2) Stellsignale(3) den Prozess beeinflussende Größen(4) beeinflusste Größen(5) Sensorsignale (gemessene Größen)
GdA
30WiSe 19/20 Georg Frey
Ziele der Vorlesung
Wissen was Automatisierung bedeutet
Spezifische Inhalte:
Automatisierungssysteme und Anwendungen
Anforderungen an Automatisierungssysteme
Verlässlichkeit und funktionale Sicherheit (SIL-Nachweis, stochastische Modelle)
Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)
Steuerungsentwurf mit Petrinetzen
Normfachsprachen für Steuerungen nach IEC 61131
Industrial Security (Überblick, Anforderungen, IEC 62443)
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