1 Einführung. 1.1 Begriffsbildung. erhaltenen Daten mit Hilfe der Leiteinrichtung

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1 1 Einführung 1.1 Begriffsbildung Der Begriff Automatisierungstechnik ist für die meisten Leser sicherlich nicht neu. Was versteht man heutzutage darunter? [1.1, 1.2]: In DIN findet man noch die folgenden Begriffe: Eine der Kerndisziplinen der Automatisierungstechnik ist die Regelungstechnik, die in den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts entstanden ist. Bis heute hat sich zu dieser Kerndisziplin ein breites Spektrum artverwandter Disziplinen gesellt. Heutzutage ist die Automatisierungstechnik ein Sammelbegriff für die Verbindung moderner Steuerungs- und Regelungstechnik mit einschlägigen Bereichen der industriellen Informationstechnik sowie der technischen Informatik und speziellen Elementen relevanter Anwendungsgebiete. Automatisierungstechnik ist im Wesentlichen ein interdisziplinäres Fachgebiet, das quer über die ingenieurtechnischen Fachbereiche Elektrotechnik, Maschinenbau und Chemieingenieurwesen angesiedelt ist. Die Methoden und die technischen Ausprägungen der Automatisierungstechnik sind daher breit gefächert und unterliegen teilweise einem rasanten Wandel. Prozess: Die Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem System durch die Materie, Energie oder auch Information umgeformt, transportiert oder auch gespeichert wird. Leiten: Gesamtheit aller Maßnahmen, die einen im Sinne festgelegter Ziele erwünschten Ablauf eines Prozesses bewirken. Die Maßnahmen werden vorwiegend unter Mitwirkung des Menschen aufgrund der aus dem Prozess oder aus der Umgebung erhaltenen Daten mit Hilfe der Leiteinrichtung getroffen. Leiteinrichtung: Umfasst alle für die Aufgabe des Leitens verwendeten Geräte und Programme sowie auch Anweisungen und Vorschriften. Aus diesen 3 Begriffen wurde 1980 in der Bayer AG als Arbeitstitel für die Zusammenführung der klassischen MSR- und elektrotechnischen Gruppen der Begriff Prozessleittechnik von LIP- PERT und POLKE eingeführt [1.5]. Dieser Begriff sollte auf die ganzheitliche Ausrichtung der mit Führung bzw. Leitung von verfahrenstechnischen Produktionsprogrammen Betrauten hinweisen. Auch außerhalb der Bayer AG verbreitete sich der Name Prozessleittechnik sehr schnell und steht heute als Synonym für die ganzheitliche Betrachtung von sämtlichen Automatisierungsaspekten industrieller Produktionsprozesse. In DIN ist der Begriff Automatisierung definiert: Automatisierung: Das Ausrüsten einer Einrichtung, so dass sie ganz oder teilweise ohne Mitwirkung des Menschen bestimmungsgemäß arbeitet. Neben diesen Begriffen gibt es in der Literatur noch den Begriff der Prozessautomatisierung [1.3]. Dieser Begriff verfolgt die Zielvorstellung, die Steuerung des Prozesses weitgehend auf selbständig arbeitende informationsverarbeitende Einheiten (Automatisierungssysteme) zu übertragen und den Eingriff des Menschen möglichst auf die Vorgabe von Wünschen an das Produktionsergebnis zu begrenzen. Erfahrungsgemäß wird dieser Begriff aber auch für die Automatisierung von verfahrenstechnischen Anlagen verwendet. Diese Begriffsdefinitionen suggerieren, dass man von Automatisierungstechnik bzw. Pro-

2 10 Einführung zessautomatisierung spricht, wenn «Leiten» ganz oder teilweise ohne Mitwirkung des Menschen geschieht (z.b. in der Fertigungstechnik) und von Prozessleittechnik, wenn «Leiten» unter wesentlicher Mitwirkung des Menschen geschieht (z.b. in der Verfahrenstechnik). Diese Diskussion besitzt eher wissenschaftstheoretischen Charakter und wird in diesem Buch nicht geführt, zumal sie an der Praxis nichts ändert Dieses Buch unterscheidet aus Gründen der Einfachheit nicht zwischen den Begriffen «Automatisierungstechnik», «Prozessautomatisierung» und «Prozessleittechnik». Es verwendet nur den Begriff Automatisierungstechnik. Die Begründung ist einfach: Es ist völlig klar, dass eine einfache Anlage «auf Knopfdruck» zu automatisieren ist. Bei einer großen komplexen Anlage ist dies nicht möglich. Erfahrenes Anlagenpersonal muss diese Anlage durch viele Bedieneingriffe führen. Der Automatisierungsgrad hängt also von der Anlage ab und wird während eines Automatisierungsprojektes durch ein interdisziplinäres Projektteam festgelegt (siehe auch Kapitel 10). 1.2 Überblick und Themen der Automatisierungstechnik Bild 1.1 zeigt schematisch das Zusammenspiel eines Automatisierungssystems mit der automatisierten Anlage. Bild 1.2 stellt den typischen Aufbau eines Automatisierungssystems und die Einordnung in ein mögliches Ebenenmodell vor. Man erkennt aus Bild 1.1, dass das Automatisierungssystem von der Anlage Messsignale von Sensoren einliest. Weiterhin gibt das Automatisierungssystem an Aktoren (Stellglieder) Stellsignale aus. Diese Aktoren können z.b. Ventile oder Motoren sein. Daraus ergibt sich unmittelbar, dass Messtechnik und Stelltechnik zu den Themen der Automatisierungstechnik gehören. Die Stellsignale generiert das Automatisierungssystem aus hinterlegten Algorithmen Bild 1.1 Schematische Darstellung des Zusammenspiels zwischen dem Automatisierungssystem und der automatisierten Anlage und/oder aus Bedieneingriffen des Anlagenpersonals. Die im Automatisierungssystem hinterlegten Algorithmen sind entweder Steuerungs- oder Regelungsalgorithmen. Infolgedessen sind Steuerungstechnik und Regelungstechnik Themen der Automatisierungstechnik. Selbstverständlich sind Automatisierungssysteme mit allen zugehörigen Details ebenfalls ein zu behandelndes Thema. Hier setzen wir die wesentlichen Schwerpunkte auf CPU, I/O-Karten, Netzwerke und Feldbusse. Die oben aufgelisteten Themen geben die grobe Einteilung des Buches wieder: Kapitel 2: Messtechnik *) Kapitel 3: Stelltechnik *) *) 1) Kapitel 4: DIN EN

3 Überblick und Themen der Automatisierungstechnik 11 Bild 1.2 Typischer Aufbau eines Automatisierungssystems und Einordnung in ein Ebenenmodell ABK = Anzeige- und Bedienkomponente, AR = Automatisierungsrechner, EWS = Engineering Workstation, I/O = Input/Output, PNK = prozessnahe Komponente Kapitel 5: Laden und Abarbeitung des Automatisierungsprogramms *) 1) Kapitel 6: Steuerungstechnik Kapitel 7: Regelungstechnik *) Kapitel 8: Automatisierungssysteme Kapitel 9: Allgemeine Anforderungen an Automatisierungsgeräte 1) Kapitel 10: Projektdurchführung 1) Die mit 1) gekennzeichneten Kapitel lassen sich nicht aus obigen Begriffen ableiten, was aber hier unwesentlich ist. Die mit *) gekennzeichneten Kapitel beschränken sich nur auf die wesentlichsten Sachverhalte. Wie aus Bild 1.2 zu erkennen ist, beschäftigt sich dieses Buch nicht mit Themen der Produktions- oder Unternehmensleitebene. Mit der Produktionsleitebene würde ein Automatisierungssystem Auftragsdaten austauschen. Den in Bild 1.2 dargestellten typischen Aufbau eines Automatisierungssystems trifft man insbesondere bei größeren Anlagen an. Auf der Engineering-Workstation (EWS) gibt der Automatisierungsingenieur die Automatisierungsprogramme, Bedienbilder usw. ein und lädt sie anschließend über das Netzwerk in den entsprechenden Automatisierungsrechner (AR) bzw. in die entsprechende Anzeige- und Bedienkom-

4 12 Einführung ponente (ABK). Über die ABK kann der Anlagenfahrer (Operator) die Anlage mittels der projektierten Bedienbilder bedienen und beobachten. Die EWS und ABK sind in den meisten Fällen PCs. Der Automatisierungsrechner AR, auch oft prozessnahe Komponente (PNK) genannt, besteht aus einem Netzteil, einer CPU (Zentraleinheit), die die eigentlichen Steuerungs- und Regelungsalgorithmen bearbeitet, und sog. I/O-Karten (Eingangs-/Ausgangskarten), die Messsignale von der Anlage einlesen (Eingänge) und Stellsignale an die Aktoren der Anlage ausgeben (Ausgänge). Die mit der Anlage ausgetauschten Signale können entweder über die klassische Einheitssignaltechnik oder mittels moderner Feldbustechnik (s. Kapitel 8) übertragen werden. In Abhängigkeit von der Größe der Anlage oder des eingesetzten Automatisierungssystems können im dargestellten Aufbau auch Komponenten fehlen. Z.B. kann in der Minimalversion das Automatisierungssystem ausschließlich aus einem kleinen AR mit einer integrierten I/O-Karte bestehen. Dieser AR ist von seinem Frontpanel aus programmierbar. Die Bedienung der Anlage erfolgt z.b. durch Hardwaretaster in der Anlage. Die ABK und die EWS entfallen hier. In einem anderen Beispiel kann das Automatisierungssystem nur aus einem PC bestehen. Dieser PC integriert EWS, ABK und AR (sog. Soft-PLC, PLC Programmable Logic Controller). Über entsprechende I/O-Karten kann der PC mit der Anlage Signale austauschen. Das in Bild 1.2 dargestellte Netzwerk, das die Engineering- und Bedienkomponenten mit den Automatisierungsrechnern verbindet, ist in vielen Fällen ein Ethernet. Gegebenenfalls ist damit eine einfache Anbindung an ein Intranet oder das Internet möglich. 1.3 Wo setzt man Automatisierungssysteme ein? Automatisierungssysteme kommen in «größeren Anlagen» zum Einsatz, die zudem individuell aufgebaut sind und ein hohes Maß an Flexibilität fordern (z.b. Pressen, Fertigungsstraßen, Chemieanlagen usw.). Automatisierungsrechner bestehen aus vielen vorgefertigten und ausgereiften Hardware- Komponenten, die laufend in der Automatisierungstechnik als Standards benötigt werden (z.b. Digitale und Analoge Ein-/Ausgangsbaugruppen). Sie sind also an die Automatisierungswelt angepasst und gestatten ein standardisiertes, zeitsparendes Arbeiten. Ähnliches gilt für die Engineering-Software auf der Engineering-Workstation, die es gestattet, das Automatisierungsprogramm aus vielen in Bibliotheken enthaltenen Standard-Software- Bausteinen aufzubauen. Bedienbilder lassen sich ebenfalls effizient aus Standard-Teilbildern zusammensetzen. Wir beschäftigen uns hier schwerpunktmäßig also mit der Automatisierung von größeren Anlagen. Man spricht auch manchmal von Anlagenautomatisierung. Diesen Begriff verwenden wir aber im Weiteren nicht. Für «kleine Anlagen», die zudem noch als Massenprodukte verkauft werden, bei denen dann auch kein laufender Änderungsbedarf besteht, setzt man oft Lösungen mit speziell dafür entwickelten Micrcontroller-Steuerungen ein (z.b. im Kfz, in Haushaltsgeräten, z.b. Brotbackautomat, Waschmaschine), die wegen ihrer geringen Abmessungen auch räumlich gut integriert werden können. Aufgrund der hohen Stückzahlen amortisieren sich die Entwicklungskosten schnell. Des Weiteren werden die Automatisierungsprogramme im Produktlebenszyklus kaum mehr verändert. 1.4 Der Markt für Automatisierungstechnik Die folgenden Anmerkungen beziehen sich auf die in [1.4] dargestellte Mercer-Studie: In der Bundesrepublik arbeiten ca Menschen in der Automatisierungsbranche. Der Automatisierungsmarkt besitzt weltweit ein Gesamtvolumen von ca. 121,8 Mrd., wovon ca. die Hälfte auf Dienstleistungen, z.b. planerische Tätigkeiten, entfällt. Die Zeiten des 2-stelligen Wachstums der 90er Jahre sind vorbei. Man rechnet bis zum

5 Lernziele des Buches 13 Jahre 2010 mit einem jährlichen Wachstum von ca. 2,8 %. Dadurch werden viele Hersteller gezwungen sein, sich genau zu überlegen, welche Kernprodukte sie welchen Kunden verkaufen wollen. Der Markt für Automatisierungsprodukte wächst vor allem in der Prozessindustrie (verfahrenstechnische Industrie), die bereits heute für ca. 72% des Umsatzes sorgt. Europa und die USA sowie mit einigem Abstand Japan bleiben auch bis 2010 die wichtigsten Absatzmärkte und bieten das höchste absolute Wachstum. China kann zur Zeit mit gutem prozentualem Wachstum aufwarten, das sich aber mittelfristig abschwächen wird. Das höchste Wachstum wird auf dem Produktsegment der übergreifenden Produktionsplanungssysteme wie MES (Manufacturing Execution Systems) und APS (Advanced Planning and Scheduling Systems) stattfinden. Gute Aussichten sind auch bei intelligenten Sensoren und Aktoren mit Standardschnittstellen zu sehen. Steuerungen geraten gleich von 3 Seiten unter Druck: Von oben durch die MES-/APS-Systeme, von unten durch die immer intelligenter werdenden Sensoren und Aktoren und durch die Anbieter von Billigsteuerungen (z.b. China). 1.5 Lernziele des Buches Dieses Buch verfolgt die Ziele: Behandlung von Themen der Automatisierungstechnik aus der Sicht des Anwenders und nicht aus der Sicht des Entwicklers von Automatisierungssystemen. Beispielorientierte Motivation und Vermittlung der Themen. Vertiefung der Themen in Beispielen und Übungsaufgaben. Vermittlung der praxisrelevanten und interdisziplinären Grundlagen der Themen. Beispielorientierte Vermittlung der programmtechnischen Umsetzung von Automatisierungsproblemen gemäß DIN EN und SIMATIC STEP 7.

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