Technischer Prozess. Prozessautomatisierung. Echtzeitsystem. Automatisierungsrechner

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1 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? Definition einiger Grundbegriffe Technischer Prozess Prozessautomatisierung Echtzeitsystem Automatisierungsrechner Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 4 Technischer Prozess Vorgang, Ablauf, Geschehen Definition 1: 1: Ein Ein technischer Prozess ist ist ein ein Vorgang durch den den Materie, Energie oder oder Information in in ihrem Zustand verändert wird. Diese Zustandsänderung kann beinhalten, dass ein ein Anfangszustand in in einen Endzustand überführt wird. Anfangszustand von Materie, Energie oder Information TECHNISCHER PROZESS in einem technischen System Umwandlung Transport Speicherung Endzustand von Materie, Energie oder Information bedeutet Materie-, Energie- oder Informationsfluss

2 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 5 Beispiele zur zur Definition des des Begriffs Technischer Prozess Anfangszustand niedrige Raumtemperatur verschmutzte Wäsche unsortierte Pakete fossile oder Kernbrennstoffe einzulagernde Teile Zug in Ort A monomerer Stoff ungeprüftes Gerät Teile ohne Bohrung Schadstoffe in der Luft Technischer Prozess in einem technischen System Wärmevorgänge bei der Beheizung eines Wohnhauses mit einer Ölheizungsanlage Waschvorgang in einer Waschmaschine Transport- und Verteilvorgänge bei einer Paketverteilanlage Energie-Umwandlungs- und Erzeugungsvorgänge in einem Kraftwerk Lagervorgänge in einem Hochregallager Verkehrsablauf bei der Fahrt eines Zuges Vorgänge in einem chemischen Reaktor Endzustand erhöhte Raumtemperatur saubere Wäsche nach Zielorten sortierte Pakete elektrischer Strom zu Kommissionen zusammengestellte Teile Zug in Ort B polymerer Stoff Prüfabläufe in einem Prüffeld geprüftes Gerät Bohrvorgang bei einer Bohrmaschine Vorgänge in einem System zur Schadstoffüberwachung der Luft Teile mit Bohrung Informationen über Schadstoffkonzentrationen werden in der Überwachungszentrale angezeigt Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 6 Definition 2: 2: DIN DIN Ein Ein Prozeß Prozeß ist ist eine eine Gesamtheit von von aufeinander einwirkenden Vorgängen in in einem einem System System durch durch die die Materie, Energie oder oder Information umgeformt oder oder gespeichert wird. wird. Ein Ein technischer Prozess ist ist ein ein Prozess, dessen dessen physikalische Größen mit mit technischen Mitteln Mittelnerfasst erfasst und und beeinflusst werden. Einflussgrößen Ergebnisgrößen Materie-, Energie- oder Informationszufluss TECHNISCHER PROZESS in einem technischen System Materie-, Energie- oder Informationsabfluss Technische Prozesse einfach bis sehr komplex Waschmaschine, Walzwerk unterschiedliche Teilprozesse werden zu einem Gesamtprozeß vereinigt Auto mit KFZ-Elektronik

3 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 7 Technisches System mit mit technischem Prozess Materie-, Energieoder Informationsabfluss Stellsignale Mess- Signale Materie-, Energieoder Informationszufluss Technisches System (Gerät, Maschine oder technische Anlage) Technischer Prozess Informationen zur Prozessbeeinflussung Prozess- ergebnis- Informationen Prozesseingangsgrößen Prozessausgangsgrößen Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 8 Beispiel für für eine eine technische Anlage Anlage mit mit technischem Prozess Stoff A Stoff B Stellsignale Technische Anlage Mess-Signale Stoff C Technischer Prozess Zuführen Stoff A Zuführen Stoff B Füllen Reaktion Entleeren Abführen des Reaktionsprodukts Stoff C

4 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 9 Definition einiger Grundbegriffe Technischer Prozess Prozessautomatisierung Echtzeitsystem Automatisierungsrechner Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 10 Prozessautomatisierung = Prozess + automatisieren Automat = selbsttätig arbeitende technische Systeme Zigarettenautomat, Fahrkartenautomat Automatisierung = Maschinen, Anlagen, Einrichtungen in in die die Lage versetzen, selbsttätig zu zu arbeiten Büroautomatisierung, Verkehrsautomatisierung, Bahnautomatisierung, Prozessautomatisierung

5 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 11 Prozessautomatisierung = Automatisierung technischer Prozesse Prozessautomatisierungssystem = technisches System mit mit technischem Prozess + Rechner- und und Kommunikationssystem + Prozessbedienpersonal Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 12 Aufbau eines Prozessautomati- sierungssystems Menschen (Prozesspersonal) zur Leitung und Bedienung des technischen Prozesses, sowie zum Eingreifen in Ausnahmesituationen Prozessergebnis Prozessbeeinflussung Rechner- und Kommunikationssystem (beinhaltend z.b. speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Industrie-PCs, Mikrocontroller, Bussysteme usw. Signale zur Steuerung des technischen Prozesses Signale aus dem technischen Prozess Technisches System (technisches Produkt oder technische Anlage), in welchem ein technischer Prozess abläuft

6 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 13 Unterschiedliche Betrachtungsweisen Prozessautomatisierungssystem Automatisierung des technischen Prozesses im Vordergrund Zielvorstellung Zielvorstellung ist ist Automatisierung Automatisierung der der Vorgänge Vorgänge des des technischen technischen Prozesses Prozesses mit mit Hilfe Hilfe von von entsprechenden entsprechenden Informationsverarbeitungseinheiteeinheiten Mensch Mensch gibt gibt nur nur noch noch Wünsche Wünsche an an das das Betriebsergebnis Betriebsergebnis vor vor Prozessleitsystem Zielvorstellung Zielvorstellung ist ist Leitung Leitung des des Ablaufs Ablaufs des des technischen technischen Prozesses Prozesses durch durch den den Menschen, Menschen, wobei wobei er er durch durch den den automatisierten automatisierten Ablauf Ablauf einzelner einzelner Vorgänge Vorgänge unterstützt unterstützt wird wird Leiten Leiten bedeutet bedeutet Steuern Steuern und und Regeln Regeln Prozessinformatik Zielvorstellung Zielvorstellung ist ist Automatisierungssoftwaresystem Echtzeitsystem Echtzeitsystem Bedienung im Vordergrund Rechner- und Kommunikations- system im Vordergrund Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 14 Unterscheidung nach Art Art der der zu zu automatisierenden technischen Prozesse - Verfahrensprozessautomatisierung - Fertigungsprozessautomatisierung Unterscheidung nach Art Art des des Einsatzes - Produktautomatisierung - Anlagenautomatisierung

7 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 15 Definition einiger Grundbegriffe Technischer Prozess Prozessautomatisierung Echtzeitsystem Automatisierungsrechner Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 16 Prozessautomatisierungssystem als als Echtzeitsystem Uhrzeit Menschen Uhrzeit äußere Einflüsse Rechner- und Kommunikationssystem Sensorsignale Steuersignale Technischer Prozess in einer technischen Anlage Bedienpersonal Technische Prozess Rechner- und Kommunikationssystem

8 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 17 Echtzeitsystem Definition: DIN Echtzeitbetrieb ist ist der der Betrieb eines Rechnersystems, bei bei dem dem Programme zur zur Verarbeitung anfallender Daten ständig betriebs- bereit sind, derart, dass dass die die Verarbeitungsergebnisse innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verfügbar sind. Die Die Daten können je je nach Anwendungsfall nach einer zufälligen, zeitlichen Verteilung oder oder zu zu bestimmten Zeitpunkten auftreten. Eigenschaften eines Echtzeitsystem Hardware/Softwaresystem Datenempfang, Datenverarbeitung, Weitergabe der der Daten an an den den Prozess innerhalb der der definierten Zeitspanne externe Ereignisse Priorisierung der der Bearbeitung Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 18 Anforderungen an an Echtzeitsysteme Rechtzeitigkeit zur zur richtigen Zeit Zeit reagieren nicht zu früh, nicht zu spät Gleichzeitigkeit auf auf mehrere Dinge gleichzeitig reagieren parallele Abläufe Verlässlichkeit zuverlässig, sicher, verfügbar wichtiger Kaufgrund Vorhersehbarkeit alle alle Reaktionen müssen planbar und und deterministisch sein sein nachvollziehbar im Fehlerfall

9 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 19 Definition einiger Grundbegriffe Technischer Prozess Prozessautomatisierung Echtzeitsystem Automatisierungsrechner Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 20 Eigenschaften von Automatisierungsrechnern Daten zeitgerecht erfassen, verarbeiten und und ausgeben Ein- Ein-und Ausgabe von von Prozess-Signalen (elektrische Signale) Verarbeitung von von Zahlen, Zeichen und und Bits Bits Entwicklungslinien von Automatisierungsrechnern Speicherprogrammierbare Steuerungen Mikrocontroller Personal Computer (PC) (PC) Prozessleitsysteme

10 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 21 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) urspünglich Ersatz für für Relais- und und Schützensteuerung (1-Bit-Rechner) heute große Leistungspalette bis bis hin hin zur zur Steuerung großer Maschinenverbunde Programmierung durch spezielle Programmiergeräte mit mit Hilfe Hilfe von von Kontaktplan oder oder über über Funktionsplan Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 22 Mikrocontroller (Ein-Chip Chip-Computer) Computer) Hochintegrierte Bausteine Einsatz für für Massenprodukte Aufbau aus aus Standard-Mikroprozessor Datenspeicher/ Programmspeicher Bus-Schnittstellen Prozess-Signal-Schnittstellen Programmierung über über Entwicklungssysteme

11 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 23 Personal-Computer (PC) für für rauhe Umgebung Einsatz von von Industrie-PCs einsteckbare Leiterplatten zum zum Anschluss von von elektrischen Prozess-Signalen optischen Prozess-Signalen Bussystemen Programmierung in in Hochsprache Einsatz von von Echtzeitbetriebssystemen als als einziges Betriebssystem zusätzlich zu zu Standard-Betriebssystemen Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 24 Prozessleitsysteme (PLS) Verteilte, über über Bus-Systeme verbundene Rechnersysteme Einsatz von von vorkonfektionierten, vom vom Hersteller des des PLS PLS entwickelten Programmbausteinen Konfigurierung durch Anwender Kopplung mit mit SPS-Rechnern

12 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? Automatisierungsgrad und Rechner- einsatzarten Definition des Automatisierungsgrades Bandbreite: Automatisierungsgrad null null bis bis vollautomatischer Betrieb Rechnereinsatzarten off-line-betrieb (Betrieb mit mit indirekter Prozesskopplung) mit mit dem dem geringsten Automatisierungsgrad online-/open-loop-betrieb open-loop-betrieb (offen prozessgekoppelter Betrieb) für für einen mittleren Automatisierungsgrad online-/closed-loop-betrieb loop-betrieb (geschlossener prozessgekoppelter Betrieb) für für einen hohen Automatisierungsgrad Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 26 Betrieb einer technischen Anlage mit Prozesspersonal und Betriebsleitung (ohne Rechnereinsatz) Anwendungen für die Prozessführung Betriebsprotokoll Betriebsleitung Aufträge Betriebsabrechnung Steuer- und Regelgeräte Prozesspersonal Anzeigegeräte und Schreiber keine Automati- sierung Handstellgeräte Technische Anlage

13 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 27 Off-line line-einsatz eines Rechners (indirekt gekoppelter Betrieb) Eingabe, Betriebsarten, Anweisungen Betriebsleitung Aufträge Eingaben des Betriebsprotokolls Steuer- und Regelgeräte Off-line- Rechner Geringe Automati- sierung, keine Kopplung zum technischen Prozess Prozesspersonal Anweisungen für die Prozessführung Betriebsprotokoll Anzeigegeräte und Schreiber Handstellgeräte Technische Anlage Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 28 On-line line-/open- loop-betrieb eines Rechnersystems Betriebsprotokoll Betriebsüberwachung Betriebsleitung Aufträge Handstellgeräte Warte Anweisungen Steuer- und Regelgeräte Prozesspersonal Rechner- System Mittlere Automatisierung, Datenerfassung vom technischen Prozess Technische Anlage

14 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 29 Betriebsleitung und Überwachung Aufträge Rechner- und Kommunikationssystem Notsteuerung Notinstrumente Betriebsprotokoll On-line line-/closed-loop- Betrieb eines Rechnersystems Hohe Automati- sierung, Datenerfassung und Beeinflussung des technischen Prozesses Technische Anlage Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? Automatisierung technischer Produkte und Anlagen Arten von Automatisierungssystemen Produktautomatisierung Anlagenautomatisierung

15 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 31 Arten von Automatisierungssystemen Produktautomatisierung Prozessautomatisierungssyteme, bei bei denen der der technische Prozess in in einem Gerät oder oder einer einzelnen Maschine abläuft. Anlagenautomatisierung hohe Stückzahlen Prozessautomatisierungssysteme, bei bei denen der der technische Prozess aus aus einzelnen Teilvorgängen (Teilprozessen) besteht, die die auf auf größeren, z.t. z.t. auch räumlich ausgedehnten technischen Anlagen ablaufen. Einmalsysteme Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 32 Beispiele für für die die beiden beiden Arten Arten von von Prozessautomatisierungssystemen Beispiele für Produkte bei der Produktautomatisierung Heizungssysteme Waschmaschinen Nähmaschinen Küchengeräte (z.b. Spülmaschinen, Mikrowellengeräte usw.) Fernsehgeräte, Radios Filmkameras Alarmanlagen Spielzeuge Navigationssysteme Anrufbeantworter Musikinstrumente Werkzeugmaschinen Messgeräte Kraftfahrzeuge mit den Teilsystemen Motor, Getriebe, ABS, Abstandswarnsystem, Fahrtplanung usw. usw. Beispiele für technische Anlagen bei der Anlagenautomatisierung Kraftwerksanlagen (Dampferzeuger, Turbinen, Generatoren) Energieversorgungsnetze Hochregallager Paketverteilanlagen Chemische Reaktoren Verfahrenstechnische Anlagen Stahlerzeugungsanlagen Walzwerksanlagen Schienenverkehrssysteme (Fernbahnen, Stadtbahnen, U-Bahnen) Straßenverkehrs-Ampel-Anlagen Gasversorgungsanlagen Klär- und Wasserwerke Gebäude- und haustechnische Anlagen Labors und Prüffelder Umwelt-Messanlagen usw.

16 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 33 Automatisierung technischer Produkte und Anlagen Arten von Automatisierungssystemen Produktautomatisierung Anlagenautomatisierung Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 34 Struktur Struktur eines eines Prozessautomati- Prozessautomatisierungssystems sierungssystems bei bei einer einer einfachen einfachen Produktautomati- Produktautomatisierung sierung Sollwerte Benutzer bzw. Bediener Anzeigen Stellgrößen Mikrocontroller Prozessergebnisse Beispiel: Küchengerät Technisches Produkt

17 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 35 Struktur Struktur eines eines Prozess- Prozess- automatiautomati- sierungssierungssystemsbei bei systems einer einer komplexen komplexen Produkt- Produkt- automatiautomatisierung sierung Benutzer bzw. Bediener Mikrocontroller Bus-System Mikrocontroller 1 Mikrocontroller 2 Mikrocontroller n Beispiel: Kraftfahr- zeug- elektronik Teilsystem 1 Teilsystem 2 Teilsystem n Technisches Produkt Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 36 Kennzeichnende Kriterien bei der Produktautomatisierung Technischer Prozess in einem Gerät oder einer Maschine Dedizierte Automatisierungsfunktionen einfach Automatisierungscomputer in Form von Mikrocontrollern oder SPS Wenige Sensoren und Aktoren Automatisierungsgrad 100%, on-line/closed-loop Betrieb Sehr große Stückzahlen (Serien- oder Massenprodukte) Die Engineering- und Softwarekosten spielen eine untergeordnete Rolle, da sie durch die Stückzahl zu dividieren sind

18 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 37 Automatisierung technischer Produkte und Anlagen Arten von Automatisierungssystemen Produktautomatisierung Anlagenautomatisierung Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 38 Fabrik-Bus Struktur eines Prozess- automatisierungs- systems für eine größere technische Anlage Beobachtung, Bedienung, Protokollierung Leit- Rechner PC PC Ebene 3 Anlagen-Bus Ebene 2 SPS SPS SPS Feldbus Feldbus Ebene 1 Technische Anlage Teilanlage Teilanlage Teilanlage

19 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 39 Kennzeichende Kriterien bei der Anlagenautomatisierung Technischer Prozess in einer - oft räumlich ausgedehntenindustriellen Anlage Umfangreiche und komplexe Automatisierungsfunktionen Als Automatisierungs-Computersysteme werden SPS-, PCoder Prozessleitsysteme verwendet Sehr viele Sensoren und Aktoren Mittlerer bis hoher Automatisierungsgrad Einmal-Systeme Die Engineering- und Softwarekosten sind für die Gesamtkosten entscheidend Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? Bestandteile eines Prozess- automatisierungssystems Technische Bestandteile Sensoren und Aktoren Kommunikationssystem Automatisierungs-Computersystem Automatisierungs-Softwaresystem

20 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 41 Technische Bestandteile zu automatisierendes technisches System (Automatisierungsobjekt) Technische Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems Einrichtungen, die für die Automatisierung erforderlich sind (Automatisierungssystem) technisches Produkt technische Anlage Einrichtungen für die Mensch- Prozess - Kommunikation Schnittstellen zum technischen Prozess: Sensoren und Aktoren fest verdrahtete Einzelgeräte Kommunikationssystem Automatisierungs- Computersystem prozessnahes Kommunikationssystem (Feldbus) Bussystem zur Kommunikation zwischen den Automatisierungs- Computern Hardwaresystem (Gerätesystem) Automatisierungs- Softwaresystem Rechner- Hardware Prozessperipherie Anwender- Software System- Software Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 42 Bestandteile eines Prozess- automatisierungssystems Technische Bestandteile Sensoren und Aktoren Kommunikationssystem Automatisierungs-Computersystem Automatisierungs-Softwaresystem

21 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 43 Sensoren Erfassung von Informationen über dem Verlauf von Prozessgrößen Messwertgeber, Fühler Umformung in elektrische bzw. optische Signale Beispiele: Temperatur, Druck, Geschwindigkeit Aktoren Umsetzung von Steuerungsinformationen zur Beeinflussung von Prozessgrößen Stellglieder Beispiele: Relais, Magnete, Stellmotoren Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 44 Bestandteile eines Prozess- automatisierungssystems Technische Bestandteile Sensoren und Aktoren Kommunikationssystem Automatisierungs-Computersystem Automatisierungs-Softwaresystem

22 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 45 Kommunikationssystem bei bei der der Produkt- automatisierung einfache Produkte wenig Sensoren und und Aktoren kurze Leitungen komplexe Produkte Kommunikation zwischen Teilsystemen über über Bus-System Beispiele: CAN-Bus, Interbus-S Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 46 Kommunikationssystem bei bei der der Anlagenautomatisierung viele viele Sensoren und und Aktoren weit weit verteilt viele viele Automatisierungscomputer weit weit verteilt Kommunikationsaufgaben auf auf mehreren Ebenen Feldbussystem Anlagen-Bus (Prozess-Bus) Fabrik-Bus

23 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 47 Bestandteile eines Prozess- automatisierungssystems Technische Bestandteile Sensoren und Aktoren Kommunikationssystem Automatisierungs-Computersystem Automatisierungs-Softwaresystem Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 48 Automatisierungs-Computersystem Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)

24 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 49 Mikrocontroller Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 50 Personal Computer (PC) bzw. Industrie-PC (IPC)

25 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 51 Prozess- leitsystem Betriebs- Leitrechner Betriebsbus Anzeige- und Bedienkomponente ABK Anzeige- und Bedienkomponente ABK Engineeringstation ES redundanter herstellerspezifischer Systembus Prozessnahe Komponente PNK Prozessnahe Komponente PNK Prozessnahe Komponente PNK Sensoren und Aktoren Feldbus Feldgeräte Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 52 Bestandteile eines Prozess- automatisierungssystems Technische Bestandteile Sensoren und Aktoren Kommunikationssystem Automatisierungs-Computersystem Automatisierungs-Softwaresystem

26 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 53 Automatisierungs-Softwaresystem Menge aller Programme, die zur Ausführung der Automatisierungsaufgaben erforderlich sind, inklusive ihrer Dokumentation Trennung zwischen ausführenden und organisatorischen bzw. verwaltenden Aufgabenbereichen ausführende Programme (Anwendungssoftware) Messwerte einlesen Stellgrößenberechnung organisierende und verwaltende Programme (Betriebssoftware oder Systemsoftware) Treiberprogramme Betriebssystem Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 54 ANWENDERPROGRAMME SYSTEMPROGRAMME Programme für Prozessgrößen- Erfassung Programme zur Organisation des Ablaufs der Anwenderprogramme Programme für Prozessüberwachung Programme für Prozess- Steuerung B e t r i e b s s y s t e m Programme zur Steuerung der Peripheriegeräte Programme zur Organisation des Datenverkehrs mit Externspeichern Programme für Prozess- Regelung Programme für den Dialog Mensch- Rechner Programme für Prozess- Optimierung und -Führung Übersetzungs- Programme Programme für Prozess-Schutz und -Sicherung Laufzeit- Programme

27 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? Ebenen der der Prozessführung und Automatisierungsfunktionen Ebenenmodell bei bei der der Führung technischer Prozesse Hierarchie- Ebenen Strategische Ebene Dispositive Ebene Taktische Ebene operative Ebene Ebenen im Vertrieb Langfristige Vertriebspolitik Vertriebs-Planung Vertriebs-Taktik Verkaufshandlungen Ebenen eines Unternehmens Unternehmensführungs-Ebene Produktionsleitebene, Betriebsleitebe Prozessleitebene Ebene des Messens, Steuerns, Regelns von Prozessgrößen (Prozessgrößenebene) Aktionsfeld Markt Technischer Prozess in einem technischen System Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 56 Zeitliche Anforderungen auf auf den verschiedenen leittechnischen Ebenen Unternehmensführungsebene: Auswirkungen im Bereich Monate-Jahre Betriebs-/Produktionsleitebene: Auswirkungen im Bereich Tage-Wochen-Monate Prozessleitebene: Auswirkungen im Bereich Minuten-Stunden Prozess-Signalebene: Auswirkungen im Bereich Mikrosekunden-Sekunden

28 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 57 Automati- sierungs- funktionen Ebenen eines Unternehmens Automatisierungsfunktionen Kostenanalysen, statistische Auswertungen Unternehmensführungs-Ebene Produktionsbzw. Betriebsleitebene Prozessleitebene Prozessgrößen- Ebene Betriebsablaufplanung Kapazitäts-Optimierung Auswertung der Prozessergebnisse Prozess-Überwachung, An- und Abfahren, Störungsbehandlung, Prozessführung, Prozess-Sicherung Messen, Steuern, Stellen, Regeln, Verriegeln, Not-Bedienen von Prozessgrößen, Abschalten, Schutz Feldebene Erfassung und Beeinflussung von Prozessgrößen mit Sensoren und Aktoren Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? Grundtypen von Vorgängen in in technischen Systemen Gebräuchliche Klassifizierungsverfahren für für technische Prozesse Klassifizierung nach Vorgängen, bei bei denen bestimmte Arten von Prozessgrößen vorkommen Kontinuierliche, sequentielle und objektbezogene Vorgänge Klassifizierung technischer Prozesse nach den dominierenden Typen von Vorgängen Graphische Darstellung technischer Prozesse

29 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 59 Klassifizierungsverfahren für für technische Prozesse Unterscheidung nach Art Art des umgeformten oder transportierten Mediums Materialprozesse Bsp.: Chemische Stahlerzeugungsprozesse Energieprozesse Bsp.: Wärmeenergieprozesse, elektrische Energieprozesse Informationsprozesse Bsp.: Telefonvermittlungssysteme Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 60 Unterscheidung nach Art Art der der Einwirkung im im Sinne einer Umformung, eines Transports oder einer Speicherung Erzeugungsprozesse Bsp.: Energieerzeugung Verteilungsprozesse Bsp.: Gasverteilungsprozesse Aufbewahrungsprozesse Bsp.: Lagerprozesse

30 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 61 Unterscheidung nach Art Art der der stofflichen Umwandlung oder des Transports Verfahrenstechnische Prozesse Bsp.: physikalisch-chemische Umwandlung von Stoffen Fertigungstechnische Prozesse Bsp.: geometrische Gestaltgebung durch spanende oder spanlose Formgebung, Fügen von Werkstücken Fördertechnische Prozesse Bsp.: Transport von Stoffen Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 62 Klassifizierung nach Vorgängen, bei denen bestimmte Arten von Prozessgrößen vorkommen Unterscheidung nach Art Art der der auftretenden Prozessgrößen (Prozessvariable) Prozessgrößen, die die dem dem zeitlichen Verlauf Verlauf physikalischer Zustandsgrößen eines eines technischen Prozesses zugeordnet werden, kontinuierlicher oder oder stückweise kontinuierlicher Wertebereich Bsp.: Bsp.: Temperaturen in in einem einem Heizungssystem Prozessgrößen, die die einzelnen diskreten Prozesszuständen zugeordnet werden, physikalische Größen mit mit kontinuierlichem Wertebereich, die die die die Prozesszustände kennzeichnen, binäre binäre Prozessgrößen, die die den den Zustandsübergängen, d.h. d.h. den den Ereignissen der der Zustandswechsel zugeordnet werden werden

31 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 63 Prozessgrößen, die die einzeln einzeln identifizierbaren Objekten zugeordnet werden, physikalische Größen mit mit kontinuierlichem Wertebereich Bsp.: Bsp.: Temperatur einer einer Bramme im im Walzwerk, Abmessungen eines eines Ersatzteils im im Lager Lager Kennnummern, d.h. d.h. nicht-physikalische Größen Bsp.: Bsp.: Typ, Typ, Bauart, Bauart, Verwendungszweck, Lagernummer Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 64 Definition von drei Arten von Vorgängen in in technischen Prozessen kontinuierliche Vorgänge, dynamische Vorgänge continuous processes sequentielle Vorgänge oder Folgevorgänge sequential processes, discrete event type processes objektbezogene Vorgänge oder Stück(gut)vorgänge discrete object type processes

32 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 65 Kontinuierliche Vorgänge in in technischen Prozessen Kennzeichen Prozessgrößen Beispiele mathematische Modelle Vorgänge, bei denen zeitabhängige kontinuierliche Prozessgrößen auftreten physikalische Größen mit (zumindest stückweise) kontinuierlichem Wertebereich Erzeugungsvorgänge, Umformungsvorgänge, Bewegungsabläufe usw. Differentialgleichungen (Zeit als unabhängige Variable), Übertragungsfunktionen Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 66 Sequentielle Vorgänge in in technischen Prozessen Kennzeichen Prozessgrößen Beispiele Modelle Vorgänge, bei denen Folgen von verschiedenen, unterscheidbaren Prozesszuständen auftreten binäre Signale, die das Eintreten der diskreten Prozesszustände melden oder bewirken, sowie kontinuierliche physikalische Größen, die den Prozesszuständen zugeordnet sind Folgen von Prozesszuständen beim An- oder Abfahren einer Turbine, Folgen von Zuständen bei der Fahrt eines Aufzugs, Folgen von Zuständen bei der Fertigung mit Werkzeugmaschinen, Folgen von Prüfvorgängen bei der Geräteprüfung in einem Prüffeld Flussdiagramm, Funktionspläne nach DIN 40719, Zustandsmodelle, Petri-Netze

33 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 67 Objektbezogene Vorgänge in in technischen Prozessen Kennzeichen Prozessgrößen Beispiele Modelle Vorgänge, bei denen einzeln identifizierbare Objekte umgeformt, transportiert oder gespeichert werden physikalische Größen mit kontinuierlichem Wertebereich oder nichtphysikalische Größen (wie z.b. Typ, Bauart, Verwendungszweck, Lager-Nr. usw.), die den Objekten zugeordnet sind, sowie binäre Prozesszustände, die Zustandsänderungen von Objekten melden oder auslösen Vorgänge bei der Fertigung von Teilen, Verkehrsvorgänge, Lagervorgänge, Informationsvorgänge in Rechnern Simulationsmodelle, Warteschlangenmodelle, Zustandsmodelle, Petri-Netze Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 68 Zuordnung von Typen von Vorgängen zu zu technischen Produktionsprozessen Technische Produktionsprozesse energietechnische Prozesse verfahrenstechnische Prozesse fertigungstechnische Prozesse fördertechnische Prozesse Typen von Vorgängen kontinuierliche Vorgänge, sequentielle Vorgänge kontinuierliche Vorgänge, sequentielle Vorgänge kontinuierliche Vorgänge, sequentielle Vorgänge, objektbezogene Vorgänge kontinuierliche Vorgänge, sequentielle Vorgänge, objektbezogene Vorgänge

34 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 69 Energietechnische Prozesse Bsp.: Erzeugung elektrischer Energie in einem Turbogenerator kontinuierliche Vorgänge Anfahren des Prozesses als sequentieller Vorgang Verfahrenstechnische Prozesse Bsp.: Chargenprozesse Einzelvorgänge sind kontinuierliche Prozesse Aufeinanderfolge der Einzelvorgänge ist ein sequentieller Vorgang Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 70 Fertigungstechnische Prozesse Bsp.: Herstellung eines Drehteils Transportvorgang eines Rohlings ist ein objektbezogener Vorgang Fertigungsablauf wie Rohling einspannen, Reitstock vorfahren, usw. ist ein sequentieller Vorgang Zerspanungsvorgang beim Abdrehen ist ein kontinuierlicher Vorgang

35 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 71 Klassifizierung technischer Prozesse nach den dominierenden Typen von Vorgängen Prozessklassen: Fließprozesse (kontinuierliche Prozesse) Folgeprozesse (sequentielle Prozesse) Stückprozesse (objektbezogene Prozesse) Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 72 Klasse der technischen Prozesse Fließprozesse Folgeprozesse dominierender Typ von Vorgängen Stück(gut)- Prozesse kontinuierliche Vorgänge sequentielle Vorgänge objektbezogene Vorgänge Beispiele Energieerzeugung im Kraftwerk, Stahlerzeugung, chemischer Prozess, Heizungsprozess An- und Abfahrprozesse, Chargenprozesse, Fertigungsprozesse, Prüfprozesse Warentransportprozesse, Lagerprozesse, Verkehrsprozesse

36 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 73 Graphische Darstellung technischer Prozesse Fließbild ähnlich wie wie Blockbilder der der Regelungstechnik Verfahren bzw. bzw. Verfahrensabschnitte sind sind Rechtecke Linien mit mit Pfeil Pfeil stellen den den Informations- oder oder Stofffluss dar dar Bündel von von Verbindungen als als Doppel-Linie mit mit Pfeil Pfeil Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 74 Beispiel eines Fließbildes zur graphischen Darstellung eines chemischen Prozesses Zusatzstoff unzerkleinert Zerkleinern Zusatzstoff zerkleinert Lösungsmittel Einsatzstoff Lösungsmittel Lösen Einsatzstofprodukt Reaktion Zwischen- Trennen gelöst Endprodukt

37 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 75 Informations-/stofforientierte Darstellung Informationen/Stoffe als Kreise Verfahren/Funktionen werden an den Verbindungslinien angegeben Beispiel einer informations-/stofforientierten Darstellung eines chemischen Prozesses Zusatzstoff unzerkleinert Zerkleinern Reaktion Trennen Zusatzstoff zerkleinert Lösungsmittel Einsatzstoff Lösen Einsatzstoffgelöst Reaktion Zwischen- Produkt Trennen Endprodukt Lösungsmittel Lösen Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 76 Phasenmodelldarstellung Mischung von Fließbild und informations-/stofforientierter Darstellung Darstellung eines aus Teilprozessen bestehenden Produktionsprozesses (Phasenmodell) Zusatzstoff Teilprozess "Zerkleinern" Zusatzstoff zerkleinert Lösungsmittel Einsatzstoff Reaktion Zwischenprodukt Trennen Teilprozess "Lösen" Einsatzstoff gelöst Endprodukt Lösungsmittel

38 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 77 Beispiel für die Beschreibung eines technischen Prozesses durch ein einfaches Fließbild, ein Verfahrensfließbild und ein Rohrleitungs- und Instrumenten- Fließbild Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? Beispiele für Prozessautomatisierungssysteme Produktautomatisierung Anlagenautomatisierung

39 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 79 RI-Fließbild Automatisierungssystem einer kommerziellen Wäschereimaschine weich kalt A B C Einspülbehälter Tank weich heiß hart kalt Dampf - oder Elektroheizung Trommel Dosierpumpe Wasserpumpe Kanal Flusensieb M Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 80 Blockschaltbild Anwender Automatisierungssystem Chipkarten- Schnittstelle Eingabe- und Anzeigemodul Mensch-Prozess-Kommunikation Mikrorechner Programmsystem 1: Auswertung & Bedienung Programmsystem 2: Reglung und Überwachung Temperatur Füllstand Unwucht Türposition Ventil 1 Ventil n Tankventil Motor Pumpe Heizung Sensorik Aktorik Technischer Prozess in dem technischen System "Wäschereimaschine"

40 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? Beispiele für Prozessautomatisierungssysteme Produktautomatisierung Anlagenautomatisierung Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 82 Automatisierungssystem einer Heizungs- und Brauchwasserbereitungsanlage RI-Fließbild Heizkörper in Raum 1 Heizkörper in Raum N Abgasklappe Schornstein Umwälzpumpe Gebläsebrenner NT-Heizkessel Ladepumpe Kaltwasserzufuhr Heizölzufuhr Brauchwasser speicher Brauchwasser

41 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 83 Automatisierungssystem Blockschaltbild Hausbewohner Einrichtungen zur Mensch- Prozess- Kommunikation Computer 1 (SPS) Programmsystem 1 "Regelung- und -Überwachung" Computer 2 (SPS) Programmsystem 2 "Auswertung- und -Bedienung" Hardware 1 Hardware 2 Kesseltemperatur Brauchwassertemperatur Vorlauftemperatur Außentemperatur Abgastemperatur Ansaugluft-Temperatur Druck im Abgaskanal CO 2 im Abgas Ölstand Raumtemperatur 1 Raumtemperatur N Umwälzpumpe Ladepumpe Gebläsebrenner Abgasklappe " S E N S O R I K " Fühler (Sensoren) zur Erfassung der Prozessgrößen " A K T O R I K " Stellglieder (Aktoren) zur Beeinflussung des technischen Prozesses T E C H N I S C H E R P R O Z E S S bestehend aus den thermischen Vorgängen des Geäudesystems und den Vorgängen in dem NT-Heizungssystem Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? Auswirkung der Prozessautomatisierung auf Mensch, Gesellschaft und Umwelt Beabsichtigte (positive) Auswirkungen der Prozessautomatisierung einfachere und bequemere Handhabung Automatisierung einer Waschmaschine Automatisierung einer Heizungsanlage Erzeugung besserer, billigerer, gleichmäßiger Produkte mit weniger Arbeitseinsatz Automatisierung chemischer Verfahrensanlagen Verringerung der Gefährdung von Menschen ABS-System Automatisierung Verkehrssysteme, wie induktive Zugsicherung, automatische Schranken Humanisierung von Arbeitsbedingungen Automatisierung Lackiererei, Gießerei Sicherung von Arbeitsplätzen durch Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit Einsatz von Robotern in der Automobil-Fertigung

42 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 85 Unbeabsichtigte (negative) Auswirkungen der Prozeßautomatisierung Freisetzen von Arbeitskräften kann zu Arbeitslosigkeit führen Einsatz von Robotern in der Fertigung Berufliche Umstrukturierung von Arbeitsplätzen durch die Veränderung von Arbeitsabläufen und Arbeitsinhalten Niedriger-/Höherqualifizierung von Arbeitsplätzen Wegfall von Hilfsarbeiten Zunahme von Dienstleistungsberufen Verringerung der menschlichen Kontakte Einführung von Fahrkarten- und Auskunftsautomaten Erhöhung des Stresses und Verringerung von entspannenden Tätigkeiten Automatisierung von Prüffeldern Überforderung in schwierigen Situationen sicherheitskritische Entscheidungen in einem Kernkraftwerk Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 86 Verantwortung des Automatisierungs-Ingenieurs für die Auswirkung der Prozessautomatisierung Direkte, unmittelbare Verantwortung Schäden in in von von ihm ihm entworfenen Prozessautomatisierungssystemen Verletzung von von anerkannten Bestimmungen und und Regeln der der Technik (VDE-Bestimmungen usw.) Sicherheit der der Automatisierungssysteme Indirekte, mittelbare Verantwortung unbeabsichtigte Nebenwirkungen

43 Prozessautomatisierung I 1 Was heißt Prozessautomatisierung? 87 Dilemma: Abwägung Nutzen/Schaden Prozessautomatisierung hat Auswirkungen auf Menschen Gesellschaft Umwelt Energie und Rohstoffe wichtig: Verantwortungsbewusstsein des Automatisierungs-Ingenieurs