Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen

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1 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen Inhalt Automatisierungs-Computer Automatisierungs-Strukturen Automatisierungs-Hierarchien Verteilte Automatisierungssysteme Automatisierungsstrukturen mit Redundanz

2 Lernziele Die unterschiedlichen Automatisierungscomputer kennen Wissen, was das besondere an der Arbeitsweise einer SPS ist Zwischen zentralen und dezentralen Strukturen unterscheiden können Kombinationen von Automatisierungsstrukturen erkennen können Automatisierungshierarchien und deren Anforderungen kennen Verstehen, was dezentrale Automatisierungssysteme sind Wissen, was die Grundstrukturen der Kommunikation sind Zwischen einem offenem und einem geschlossenem Kommunikationssystem unterscheiden können Wissen, was man unter Redundanz versteht Arten von Hardware-Redundanz kennen und charakterisieren können Erklären können, was Diversität ist

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4 Aufgaben der Prozessautomatisierung

5 Aufgaben der Prozessautomatisierung Die wichtigsten Aufgaben der Prozessautomatisierung sind: Datenerfassung? Messwerte werden in Rechner gebracht Auswertung der erfassten Messwerte (Mittelwerte, Kosten,... ) Überwachung? Protokolle, Prozessabbild, Störungserfassung Steuerung? Binärer Eingriff aufgrund binärer Prozesssignale Regelung? Prozessgröße wird auf vorgegebenen Wert gebracht und gehalten Führung? Eingriff in den Prozess so, dass er in der gewünschten Weise abläuft Optimierung? Eingriff in den Prozess so, dass er in optimaler Weise abläuft Arten von elektrischen Prozess-Signalen analoge Prozess-Signale amplitudenanalog frequenzanalog phasenanalog binäre Prozess-Signale digitale Prozess-Signale Prozess-Signale in Form von Impulsen Schalterstellung n Bit--Wort Drehzahlgeber Prozess-Signale in Form von Impulsflanken Zustandsübergang einer Prozessgröße

6 Arten von Aufgaben bezüglich der Prozess-Signale Ein- und Ausgaben analoger Prozess-Signale Umwandlung analoge Information in Dualzahl mit Analog-Digital-Umsetzer (ADU) Umwandlung Dualzahl in analoge Information mit Digital-Analgo-Umsetzer (DAU) Ein- und Ausgabe digitaler Prozess-Signale (inklusive binärer Prozess-Signale) Ein- und Ausgabe impulsförmiger Prozess-Signale Umsetzung analoger Prozessgrößen wichtig: zur Darstellung analoger Prozessgrößen reicht eine Wortlänge von 16 Bit aus

7 Darstellung einer analogen Prozessgröße als Festpunkt-Dualzahl von 16 Bit wichtig: Für die Darstellung digitaler Prozessgrößen reicht reicht eine Wortlänge von 16 Bit in aller Regel aus Beispiel für die Darstellung von 5 Kontaktstellungen in einem 8-Bit-Wort wichtig: Frage: Für die Darstellung binärer Prozessgrössen und impulsförmiger Prozessgrössen reicht eine Wortlänge von 16 Bit im allgemeinen völlig aus Warum brauchen wir denn 32 Bit Rechner für Automatisierungsaufgaben Grösserer Adressraum Höhere Rechengeschwindigkeit

8 Automatisierungs-Computer Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Mikrocontroller Industrie- PC Prozessleitsysteme Ausgangssituation (1) SPS seit 1972 Von Bauteilen und Technologien geprägt Abhängig von der Aufgabe Einzug der SW Zunahme der Funktionalität und Leistungsfähigkeit von speicherprogrammierbaren Steuerungen 1980 : 2 kbyte 1990 : 20 kbyte 2000 : 2000 kbyte

9 Ausgangssituation (2) Zielgruppen Anwender ohne Informatikstudium Elektriker Zielsetzung für den SPS-Einsatz Schütze/Relais ablösen Zuverlässigkeit erhöhen Kosten reduzieren Zielsetzung für die SPS-Sprachen Funktionen in bekannten Darstellungen beschreiben Kontaktplan (abgeleitet aus dem Stromlaufplan) Funktionsplan (abgeleitet aus dem Logikplan) Standardisierung der Entwicklung von SPS-Systemen IEC 1131 DIN EN

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11 Eigenschaften Blockschaltbild der Hardwarestruktur einer SPS

12 Zyklischer Betrieb beim Einsatz einer SPS Ablauf des zyklischen Programmbetriebes bei einer SPS

13 Eigenschaften von SPS Vorteil: Nachteil: einfache Programmierung durch zyklische Betriebsweise Reaktionszeit auf Ereignisse im technischen Prozess maximal zwei Programm-Zyklen Programmabarbeitungszeit: Zykluszeit nicht konstant 1 ms pro 1000 Anweisungen Arten von SPS

14 Aufbau einer modularen SPS Innerer Aufbau einer modularen SPS

15 Mikrocontroller (Ein-Chip-Computer) Hochintegrierte Bausteine Einsatz für Massenprodukte Aufbau aus Standard-Mikroprozessor Datenspeicher/ Programmspeicher Bus-Schnittstellen Prozess-Signal-Schnittstellen Programmierung Entwicklungssysteme Kurze Wortlänge Extrem niedriger Preis Beginnend bei 1-10 hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer hohe Anforderungen bezüglich Umgebungsbedingungen Temperatur, Feuchtigkeit SPS-Programmierung (1) Überblick über SPS-Programmiersprachen

16 SPS-Programmierung (2) SPS Funktionen SPS-Programmierung (3) Programm in Ablaufsprache nach IEC 1131

17 Einsatzgebiete als Serien- oder Massenprodukt Produktautomatisierung Haushaltsgeräte Unterhaltungselektronik Kfz-Elektronik Unterscheidung Mikroprozessor Prozessor auf einem Mikroelektronik-Chip Mikrocomputer Alle Komponenten auf einem Mikroelektronik-Chip, d.h Prozessor, Speicher, Schnittstellen zur Peripherie Mikrocontroller Automatisierungs-Computer bzw. ein Automatisierungs- Computersystem auf einem Chip

18 Weltweiter Mikrocontroller-Markt Weltweiter Mikrocontroller-Markt

19 Sockel des Entwicklungssystem Stecker Produkt Mikrocontrollers, der in das Produkt eingebaut wird Herausgenommener Mikrocontrollerbaustein Anwendung eines in-circuit Emulators Vereinfachtes Blockbild des Mikrocontrollers 80C167 8 Kanäle

20 Vereinfachtes Blockbild des Mikroprozessors Prinzip des Mikrocomputers 20

21 Begriffe CPU = Central Processing CPU Mikroprozessor RAM = EPROM/PROM/ROM = Random Access Memory Erasable programmable Read Only Read Only Memory Arbeitsspeicher Festwertspeicher I/O = Counter/Timer = parallele bzw. serielle Ein/Ausgabe-Bausteine Taktgeber Prozess- und Datenperipherie Interrupt Controller = Unterbrechungswerk Festwertspeicher

22 Mikrorechner mit RAM Industrie-PC (IPC) einsteckbare Leiterplatten zum Anschluss von elektrischen Prozess-Signalen optischen Prozess-Signalen Bussystemen Programmierung in Hochsprache Einsatz von Echtzeit-BS als einziges Betriebssystem zusätzlich zu Standard-Betriebssystemen Einsatzgebiete von Industrie-PCs Prozess-Visualisierung Prozessauswertung und überwachung übergeordnete Steuerungsaufgaben (Leitstandsaufgaben)

23 (Eigenschaften) Umgebungsbedingungen Rauhe Umgebungsbedingungen Temperaturschwankungen Stöße und Erschütterungen Staub und Feuchtigkeit elektrische oder elektromagnetische Störungen Schutzvorrichtungen von Industrie-PCs (IPC) schwingungsgedämpfte Laufwerke hohe Güte der integrierten Bausteine spezielles Schutzgehäuse Schutzart von Industrie-PCs mit IP-Index

24 Reine IPC-Lösung Vorteile einer reinen IPC-Lösung Client-Server-Prinzip

25 Anordnung eines reinen IPC-Systems Anordnung eines SPS- IPC-Systems

26 Prozessleitsysteme (PLS) Komplettlösungen von einem Hersteller Anwendungsgebiete von Prozessleitsystemen Bestandteile eines PLS

27 Schematischer Aufbau Typische Bestandteile eines Prozessleitsystems (PLS)

28 Anzeige- und Bedienkomponente Prozessnahe Komponente

29 Systemkommunikation Engineering-Tool

30 Leitsystemhersteller und deren Produkte Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen

31 Struktur des technischen Prozesses Örtliche Struktur der Automatisierungsgeräte Wirkungsmäßige Struktur des Automatisierungssystems (funktionelle Struktur) Örtlich zentrale Anordnung der Automatisierungsgeräte

32 Örtlich dezentrale Anordnung der Automatisierungsgeräte Wirkungsmäßig zentrale Automatisierungsstruktur

33 Wirkungsmäßig dezentrale Automatisierungsstruktur Unterschiedliche Kombination der Automatisierungsstrukturen

34 Vergleichskriterien für Automatisierungsstrukturen Vergleich der Anschaffungskosten

35 Vergleich der Zuverlässigkeit des Betriebes Dezentrale Struktur

36 Bewertung von Automatisierungsstrukturen Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen

37 Durch Einführung einer Hierarchie von Automatisierungseinheiten Kombination von wirkungsmäßig zentraler und dezentraler Struktur erreicht. Dadurch abgestufte Leistungsfähigkeit der einzelnen Ebenen, Flexibilität und Anpaßbarkeit. Gliederung der Informationsverarbeitungsaufgaben in übereinanderliegende Ebenen. Dadurch weitgehende Entkopplung der Verarbeitungsaufgaben innerhalb einer Ebene. Kombination von zentraler und dezentraler Struktur Horizontale Entkopplung, Gegenseitige Vermaschung nur auf höherer Ebene Dadurch Aufrechterhaltung der Transparenz einer dezentralen Automatisierungsstruktur und hohe Teilverfügbarkeit auch bei Ausfällen

38 Zuordnung von Automatisierungsfunktionen zu den Prozessführungsebenen Anforderungen an Verfügbarkeit und Verarbeitungsleistung

39 Voraussetzung für die Realisierung Ebenenmodell bei der Führung technischer Prozesse

40 Beispiel Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen

41 Zielsetzung bei verteilten Automatisierungssystemen Realisierung bei verteilten Automatisierungssystemen keine Hierarchie Unterschied zu Automatisierungs-Hierarchie

42 Kriterien für die Wahl eines Kommunikationssystems (1) Kriterien für die Wahl eines Kommunikationssystems (2) Bsp.: hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit durch redundantes Bus-System bedeutet hohe Verkabelungskosten

43 Grundstrukturen der Kommunikation Eigenschaften Stern-Struktur Ring-Struktur Netz-Struktur Bus-Struktur

44 Parallele Busse Distanz: bis 20 m Serielle Busse Distanz: 20 m bis 15 km Arten von Kommunikationssystemen

45 Aufgaben der ISO/OSI- Schichten Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen

46 Formen der Redundanz Ziel beim Einsatz fehlertoleranter Strukturen Stufen der Fehlertoleranz

47 Prinzip der Fehlertoleranz Arten von Redundanz Hardware-Redundanz

48 Doppelrechner-Struktur mit statischer Redundanz Doppelrechner-Struktur mit dynamisch blinder Redundanz

49 Doppelrechner-Struktur mit dynamisch funktionsbeteiligter Redundanz Drei-Rechner-Struktur mit statischer Redundanz

50 Software-Redundanz Diversitäre Software Einsatz bzw. Ausführung diversitärer Software-Teile

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2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen

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