2.1 Arten von elektrischen Prozess-Signalen

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1 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 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 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 3 Arten von Aufgaben bezüglich der Prozess-Signale Ein- Ein-und Ausgaben analoger Prozess-Signale Umwandlung analoge Information in in Dualzahl mit mit Analog-Digital-Umsetzer (ADU) (ADU) Umwandlung Dualzahl in in analoge Information mit mit Digital-Analgo-Umsetzer (DAU) (DAU) Ein- Ein-und Ausgabe digitaler Prozess-Signale (inklusive binärer Prozess-Signale) Ein- Ein-und Ausgabe impulsförmiger Prozess-Signale

2 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 4 Umsetzung analoger Prozessgrößen Darstellungsfehler (% vom Max.Wert) Wertverschlüsselung des Analog-Digital-Umsetzers Bits Dezimalzahlen Erford. Wortlänge (Bytes) 0,5% 0,1% 0,025% 0,006% wichtig: zur Darstellung analoger Prozessgrößen reicht eine Wortlänge von 16 Bit aus Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 5 Darstellung einer analogen Prozessgröße als Festpunkt-Dualzahl von 16 Bit Bit-Nr.: Dualzahl: Oktalzahl: Hexadezimalzahl: 17DB D B wichtig: Für die Darstellung digitaler Prozessgrößen reicht eine Wortlänge von 16 Bit in aller Regel aus

3 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 6 Beispiel für für die die Darstellung von 5 Kontakt- stellungen in in einem 88-Bit-Wort Bit-Stelle wichtig: Für die Darstellung binärer Prozessgrössen und impulsförmiger Prozessgrössen reicht eine Wortlänge von 16 Bit im allgemeinen völlig aus Frage: Wozu 32-Bit-Rechner für Automatisierungsaufgaben? größerer Adressraum größere Rechnergeschwindigkeit Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen Automatisierungs-Computer Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) SPS Zyklischer Betrieb beim Einsatz einer speicherprogrammierbaren Steuerung als als Automatisierungs- Computer Prozessabbild im Ausgangsspeicher Automatisierungsprogramm Prozessabbild im Eingangsspeicher Aktorsignale Sensorsignale Technischer Prozess in einem technischen System

4 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 8 Eigenschaften von SPS Vorteil: Nachteil: einfache Programmierung durch zyklische Betriebsweise Reaktionszeit auf auf Ereignisse im im technischen Prozess maximal zwei zwei Programm-Zyklen Programmabarbeitungszeit: Zykluszeit nicht konstant 1 ms pro 1000 Anweisungen Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 9 Ablauf des zyklischen Programmbetriebes bei bei einer SPS Prozessabbild aus dem Ausgangsspeicher ausgeben Programm abarbeiten Prozessabbild in den Eingangsspeicher laden Reaktionszeit Prozess- Ereignis Reaktion auf das Prozess- Ergebnis Beginn des 1. Zyklus Beginn des 2. Zyklus Beginn des 3. Zyklus Beginn des 4. Zyklus

5 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 10 Blockschaltbild der der Hardwarestruktur einer SPS Steuer- und Rechenwerk Programmspeicher Sensorsignale Digitalund Analog- Eingabe interner Bus Digitalund Analog- Ausgabe Aktorsignale RAMspeicher Zeitgeber Schnittstelle zum Programmiergerät Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 11 Mikrocontroller Einsatzgebiete als als Serien- oder Massenprodukt Produktautomatisierung Haushaltsgeräte Unterhaltungselektronik Kfz-Elektronik

6 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 12 Eigenschaften von Mikrocontrollern kurze kurze Wortlänge Integration von von Prozessperipherie auf auf dem dem Chip Chip extrem extrem niedriger Preis Preis 1-10 DM hohe hohe Anforderungen bezüglich Umgebungsbedingungen Temperatur, Feuchtigkeit hohe hohe Zuverlässigkeit und und Lebensdauer Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 13 Unterscheidung Mikroprozessor Prozessor auf auf einem einem Mikroelektronik-Chip Mikrocomputer Alle Alle Komponenten auf auf einem einem Mikroelektronik-Chip, d.h. d.h. Prozessor, Speicher, Schnittstellen zur zur Peripherie Mikrocontroller Automatisierungs-Computer bzw. bzw. ein ein Automatisierungs- Computersystem auf auf einem einem Chip Chip

7 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 14 Weltweiter Mikrocontroller-Markt Markt Herstellerfirmen: Intel Motorola National Semiconductor Toshiba Stückzahl in Millionen bit 8-bit 16-bit Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 15 Entwicklungssystem Drucker Diskettenlaufwerk Anwendung einer einer Entwicklungsumge bung bung zum zum Test Test von von Programmen für für einen einen Mikrocontroller (In (In-Circuit- Emulation Monitor Standard- Mikrocomputer (z.b. PC) Echtzeit- Computer (Bondout-Chip) Maus Tastatur Stecker Sockel des Mikrocontrollers, der in das Produkt eingebaut wird. Produkt Herausgenommener Mikrocontroller- Baustein

8 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 16 Vereinfachtes Blockbild des des Mikrocontrollers 80C167 8 Kanäle Mikrocontroller 80C bit- CPU 2kBytes RAM 2kBytes RAM- Erweiterung ROM Zeitüber wachung (Watchdog Timer) Taktgeber Direkter Speicherzugriff Interner Bus 16 bit Programmierbare Digital- E/A 10-bit- ADU mit Multiplexer Serielle E/A- Schnittstellen Impuls- E/A Interrupt- Controller Externer Daten-Bus CAN- Bus- Schnittstelle 111 Digital- Ein- oder Ausgaben 16 Analog- Eingaben 2 Kanäle 32 Ein/Ausgaben 56 Interrupt- Eingänge externer Datenbus CAN-Bus Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 17 Begriffe CPU = Central Processing Unit Unit RAM = Random Access Memory EPROM/PROM/ROM = Erasable Programmable Read Only Memory Mikroprozessor Arbeitsspeicher Festwertspeicher I/O I/O = parallele bzw. serielle Ein/Ausgabe- Bausteine Prozess- und Datenperipherie Counter/Timer = Taktgeber Interrupt Controller = Unterbrechungswerk

9 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 18 Industrie-PC Rauhe Umgebungsbedingungen Temperaturschwankungen Stöße Stöße und und Erschütterungen Staub Staub und und Feuchtigkeit elektrische oder oder elektromagnetische Störungen Schutzvorrichtungen von von Industrie-PCs (IPC) schwingungsgedämpfte Laufwerke hohe hohe Güte Güte der der integrierten Bausteine spezielles Schutzgehäuse Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 19 Schutzart von Industrie-PCs mit IP-Index Index (Ingress Protection) 1. Ziffer Schutz gegen Festkörper 2. Ziffer Schutz gegen Wassereinwirkung 0 kein Schutz 0 kein Schutz 1 Handkontakt unmöglich (50mm Objekte) 2 Fingerkontakt unmöglich (12mm Objekte) 3 Drahtkontakt unmöglich (2.5mm Objekte) 4 Feiner Drahtkontakt unmöglich (1.0mm Objekte) 5 Schutz gegen schädlichen Staub 6 Komplett staubgeschützt 1 Schutz gegen vertikal fallende Tropfen/ Kondensation 2 Schutz gegen Tropfen mit einem Fallwinkel von 15 3 Schutz gegen Regenfall bis zu 60 4 Schutz gegen Sprühwasser von allen Seiten 5 Schutz gegen Wasserstrahlen von allen Seiten 6 Schutz gegen Wasserfluten (bei schwerem Seegang) 7 Schutz gegen Wassereinwirkung bei 1m Tiefe 8 Schutz gegen lange Wassereinwirkung bei > 1m Tiefe

10 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 20 Einsatzgebiete von von Industrie-PCs Prozess-Visualisierung Prozessauswertung und und -überwachung übergeordnete Steuerungsaufgaben (Leitstandaufgaben) Kombination von von Industrie-PCs und und SPS-Systemen Industrie-PC Schnittstelle zum zum Bediener SPS SPS zum zum Einlesen/ Ausgeben der der Prozess-Signale und und Abarbeitung der der Steuerungsalgorithmen Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 21 Anordnung eines SPS- IPC-Systems Industrie PC Bedienfeld Fernwartung Modem Serielle Verbindung LAN oder Feldbus Drucker SPS Sensoren und Aktoren CPU, IPC-Anschaltbaugruppe Signal-Ein-/Ausgabebaugruppe

11 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 22 Anordnung eines reinen IPC-Systems Industrie PC Bedienfeld Fernwartung Modem Feldbus Drucker.... Module für die Signalein- und -ausgabe Sensoren und Aktoren Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 23 Aufgaben bei bei einer reinen IPC-Lösung Erfassung von von Prozessgrössen Steuerungsfunktion unter Echtzeit Schnittstelle zum zum Bediener Vorteile einer reinen IPC-Lösung bessere Skalierbarkeit der der Hardware grosses Angebot an an Betriebssystemen grosses Spektrum an an Programmiersprachen offenes System zur zur Integration von von fertigen Teillösungen

12 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 24 Prozessleitsysteme Komplettlösungen von von einem Hersteller keine Kompatibilitätsprobleme einheitliche Bedienung und und Beobachtung des des Prozesses hohe Verfügbarkeit definierte Verantwortlichkeit lange Lebenszeit Anwendungsgebiete von von Prozessleitsystemen Kraftwerkstechnik Verfahrenstechnik Gebäudetechnik Fertigungstechnik Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 25 Bestandteile eines PLS PLS Anzeige- und und Bedienkomponente (ABK) Prozessnahe Komponenten (PNK) Systemkommunikation Engineering-Tool

13 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 26 zentrales Bedienen und Beobachten ABK Terminal-Bus (Ethernet) lokales Bedienen und Beobachten Server zentrales Engineeringsystem Feldbus Bedienungsschnittstelle SPS SPS PNK AM = Anschlussmodul AM AM Bus-Interface Feldbus Aktor-Sensor-Bus M M Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 27 Anzeige- und Bedienkomponente Funktionen Rezepte/ Batch Abläufe erstellen/ modifizieren aktuelle Werte ändern Kommunikation mit mit dem dem Prozess Alarme/ Bedienanforderungen bearbeiten Prozessvisualisierung Schnittstelle zu zu Datenbanksystemen zur zur Prozessprotokollierung Realisierung PC, PC, IPC, IPC, Workstation Windows 95, 95, Windows NT, NT, Unix Unix

14 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 28 Prozessnahe Komponente Eigenentwicklungen der der Leitsystem-Hersteller Aufbau Automatisierungscomputer: SPS, IPC IPC dezentrale Peripherie Feldgeräte: Sensoren, Aktoren Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 29 Systemkommunikation Datenmenge Betriebsebene Prozessebene Feldebene Reaktionszeit Bus-Systeme ABK: ABK: PNK: PNK: unterste Feldebene: standardisierter Ethernet-Bus Feldbus, z.b. z.b. Profibus, H1-Bus, Modbus, Interbus-S schnelle Aktor-Sensor-Busse

15 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 30 Engineering Aufgaben Konfiguration Programmierung Wartung/Pflege Werkzeuge graphische Werkzeuge (IEC 1131) standardisierte Bibliotheken mit Komponenten mächtige Editoren Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 31 Beispiel einer grafischen Konfiguration

16 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 32 Hersteller Produktname Bemerkung ABB AdvantOCS Firmenspezifischer Feldbus AdvaSoft für kleine Anlagen Procontrol P Kraftwerkstechnik EB Hartmann & Braun Leitsystem- hersteller und deren Produkte Foxboro- Eckardt Siemens Symphony Unterstützt Anbindung an Betriebsebene, Remote I/O System Contronic E Kraftwerktechnik, für große Anlagen Contronic P Verfahrenstechnik, Ausdehnung bis zu 12km I/A Serie- Verfahrenstechnik, PNK mit PCMCIA-Technologie System SIMATIC PCS Verfahrenstechnik, ABK auf Basis von Windows 7 95 und Windows NT. Umfangreiches Hardwareangebot. Feldbus: Profibus. Anbindung an Betriebsebene möglich. Teleperm M Verfahrenstechnik, weitverbreitet. Altes Bussystem (CS 275). Migration von Teleprem M nach SIMATIC PCS 7 möglich. Teleperm XP Kraftwerkstechnik, offene Kommunikation, umfangreiches Hardwareangebot. Honeywell PlantScape Verfahrenstechnik, offenes System, ABK auf Basis von Windows NT, unterstützt Remote I/O. Anbindung an Betriebsebene möglich. TDC 3000 Verfahrenstechnik, besitzt mehrere Prozessbusse mit unterschiedlicher Datenübertragung. MODBUS wird unterstützt. Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen Zentrale und dezentrale Automatisierungsstrukturen Arten von von Automatisierungsstrukturen Struktur des technischen Prozesses technischer Prozess als Einheit Bsp.: Bohrvorgang bei einer Bohrmaschine technischer Prozess, der aus Teilprozessen besteht Bsp.: Fertigung eines Getriebes Struktur der Automatisierungsgeräte örtlich zentrale Anordnung örtlich dezentrale Anordnung Wirkungsmäßige Struktur des Automatisierungssystems (funktionelle Struktur) = Aufteilung der Automatisierungsfunktionen auf die Automatisierungsgeräte wirkungsmäßig zentrale Grundstruktur wirkungsmäßig dezentrale Grundstruktur

17 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 34 Örtlich Örtlich zentrale Anordnung der der Automatisierungsgeräte geräte Feld Messwertumformer Stellglieder Unterverteiler Rangierverteiler, galvan. Trenner, Automatisierungsgeräte Anzeigetafel Wartesignale Farbbildschirme für die Prozessführung Warte Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 35 Örtlich Örtlich dezentrale Anordnung der der Automatisierungsgeräte geräte AM: Anschluss-Modul für Sensoren bzw. Aktoren SPS Feldbus AM AM AM AM Feldbus Feld FBK: Feldbus-Koppler FEP: Front-End- Prozessrechner Anlagenbus SPS PBK: Prozessbus- Koppler Leitrechner Warte Anzeigetafel Farbbildschirme für die Prozessführung

18 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 36 Wirkungsmäßig zentrale Automatisierungsstruktur Zentraler Automatisierungs- Computer Teilprozess 1 Teilprozess 2 Teilprozess n Technischer Prozess in einem technischen System Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 37 Wirkungsmäßig dezentrale Automatisierungsstruktur Automati- sierungs- Computer 1 Automati- sierungs- Computer 2 Automati- sierungs- Computer n Teilprozess 1 Teilprozess 2 Teilprozess n

19 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 38 Unterschiedliche Kombination der der Automatisierungsstrukturen Technischer Prozess als eine Einheit betrachtet (zentrale Prozess-Struktur) Technischer Prozess in Teilprozesse gegliedert (dezentrale Prozess-Struktur) örtlich zentrale Anordnung der Automatisierungsgeräte örtlich dezentrale Anordnung der Automatisierungsgeräte örtlich zentrale Anordnung der Automatisierungsgeräte örtlich dezentrale Anordnung der Automatisierungsgeräte wirkungsmäßige Struktur wirkungsmäßig zentrale Automatisierungsstruktur wirkungsmäßig dezentrale Automatisierungsstruktur Z Z Z Z D Z D Z Z D D Z Z Z D Z D D D Z D D D D Kennzeichnung der verschiedenen Strukturen: Z = zentral / D = dezentral 1. Stelle 2. Stelle 3. Stelle wirkungsmäßige Automatisierungsstruktur örtliche Struktur der Automatisierungsgeräte Struktur des technischen Prozesses Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 39 Kriterien für für einen Vergleich der der Eigenschaften von Automatisierungsstrukturen die die Kosten für für die die Geräte, die die Verkabelung, die die Software, die die Pflege und und die die Wartung die die Teilverfügbarkeit bei bei Hardware-Ausfällen oder oder bei bei Software-Fehlern die die Flexibilität bei bei Änderungen die die Koordinierung der der Teilprozesse und und die die Optimierung des des Gesamtprozesses die die Bedienbarkeit

20 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 40 Vergleich der der Beschaffungskosten wirkungsmäßig dezentrale Struktur Beschaffungskosten wirkungsmäßig zentrale Struktur Zahl der Teilprozesse und / oder der Automatisierungsfunktionen kaum zusätzliche Kosten bei Erweiterung Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 41 Vergleich der der Zuverlässigkeit des des Betriebes des des technischen Prozesses Zuverlässigkeit des Betriebes wirkungsmäßig zentral wirkungsmäßig dezentral, Prozessstörung bei zwei Einzelausfällen wirkungsmäßig dezentral, Prozessstörung bei einem Einzelausfall Zahl der Teilprozesse und/oder der Automatisierungsfunktionen ein Einzelausfall führt zu Prozessstörung, Zuverlässigkeit konstant zwei Einzelausfälle führen zur Prozessstörung

21 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 42 Im Im Normalfall Verkopplung schwach kein kein Totalausfall bei bei Ausfall von von zwei zwei oder oder mehr Automatisierungseinheiten Zuverlässigkeit des des Betriebes bei bei einer wirkungsmäßig dezentralen Struktur höher als als beim Einsatz eines zentralen Prozessrechners Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 43 Dezentrale Struktur + Flexibilität bei bei Änderungen + Koordination der der Teilprozesse + Optimierung des des Gesamtprozesses -- zusätzlicher Aufwand zur zur Kommunikation der der einzelnen Automatisierungseinheiten 0 Bedienbarkeit und und Benutzerfreundlichkeit + Störfall-Lokalisierung + höhere Transparenz

22 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 44 Bewertung von von Automatisierungsstrukturen hinsichtlich der der Kriterien ien Z = D = ZZZ ZDZ DZZ DDZ ZZD ZDD DZD DDD zentrale Struktur dezentrale Struktur Typisch für Automatisierung kleiner Geräte Geringere Verkabelungskosten als bei ZZZ Ungünstig bzgl. Verfügbarkeit, Wartbarkeit, Verkabelungskosten Ungünstig bzgl. Verfügbarkeit und Flexibilität Günstig bzgl. Wartbarkeit und Flexibilität Ungünstig: Verkabelung Günstig: Flexibilität, Verfügbarkeit, Verkabelung, Transparenz Günstig: Verfügbarkeit, Wartbarkeit Ungünstig: Verkabelungskosten Günstig: Flexibilität, Verfügbarkeit, Verkabelung, Transparenz wirkungsmäßige Struktur örtliche Struktur der Automatisierungsgeräte Struktur des technischen Prozesses Produkt- automatisierung Anlagen- automatisierung Kfz- Elektronik so dezentral wie möglich, so zentral wie nötig Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 45 Kombination von zentraler und dezentraler Struktur durch Einführung einer Hierarchie von Automatisierungseinheiten Leit- Einheit zentrale Leitebene Anforderungen an die Verfügbarkeit Komplexität der Verarbeitungsaufgaben Koordinierungs Einheit 1 Dezentrale Automati- sierungs- Einheit 1 Koordinierungs Einheit 2 Dezentrale Automati- sierungs- Einheit 2 Koordinierungs Einheit m Dezentrale Automati- sierungs- Einheit n Koordinierungsebene prozessnahe Ebene Teilprozess 1 Teilprozess 2 Teilprozess n Technischer Prozess (Gesamtprozess)

23 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 46 Zuordnung von von Automatisierungsfunktionen zu zu den den Prozessführungsebenen Dezentrale Automatisierungseinheiten erfüllen die die Aufgaben der der Prozessführungsebene 4, 4, hohe Anforderungen an an die die Verfügbarkeit Koordinierungs-Einheiten realisieren die die Automatisierungsfunktionen der der Prozessführungsebene 3 wie wie Koordinierung der der Teilprozesse, Optimierung, Prozessüberwachung und und -sicherung Leiteinheit realisiert die die Aufgaben der der beiden obersten Prozessführungsebenen Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 47 Anforderungen an an die die Hierarchie-Ebenen bezüglich Verfügbarkeit und und Verarbeitungsleistung Anforderung an die Verfügbarkeit Schutz, Sicherung Überwachung Anforderung en an die Verfügbarkeit Verriegelung Einzelsteuerungen Regelungen erforderliche Verarbeitungsleistung Führungsregelung Führungssteuerung Kennwertberechnung Optimierung erforderliche Verarbeitungsleistung prozeßnahe Ebene Koordinierungsebene Leitebene

24 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 48 Voraussetzung für für die die Realisierung einer Automatisierungs- Hierarchie Gliederung des des technischen Prozesses in in Teilprozesse Einsatz von von intelligenten Automatisierungseinheiten Kommunikationssystem zwischen Automatisierungseinheiten Je Je nach Größe des des Unternehmens und und Umfang des des technischen Prozesses können Zwischenebenen eingeführt werden bzw. bzw. Ebenen zusammengezogen werden. Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 49 Koordinierungsrechner 1 Leitrechner Koordinierungsrechner 2 Prozessbus Bedien-Rechner Realisierung einer Automatisierungs- Hierarchie mit einem busorientierten verteilten Prozessrechensystem Leit- Ebene Koordinierungsebene Dezentraler Automati- sierungs- Computer 1 Dezentraler Automati- sierungs- Computer 2 Dezentraler Automati- sierungs- Computer n Prozessnahe Ebene AM AM AM AM AM AM AM Teilprozess 1 Teilprozess 2 Teilprozess n Technischer Prozess

25 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen Verteilte Automatisierungssysteme (distributed systems) Verknüpfung von von dezentralen Automatisierungseinheiten mit mit übergeordnetem Rechner über über ein ein Kommunikationssystem keine Hierarchie Unterschied zu zu Automatisierungs-Hierarchie Einheiten kommunizieren dort dort nur nur mit mit nächst höherer Ebene Nur Nur prozessnahe Informationsaufgaben werden dort dort dezentral wahrgenommen Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 51 Zielsetzung bei bei verteilten Automatisierungssystemen Hohe Zuverlässigkeit durch Fehlertoleranz Ausfall eines dezentralen Computers führt nicht zu Gesamtausfall Eingrenzung des Fehlers durch Rekonfiguration Erhöhung der Verfügbarkeit durch schnelle Wartung und Instandsetzung gegenseitige Überwachung mit Fehlerdiagnose Gegenseitige Aushilfe bei hoher Belastung selbsttätige Anpassung der Aufgabenverteilung Reduzierung der Reserven der einzelnen Einheiten Einfache Erweiterungsfähigkeit

26 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 52 Grundstrukturen der Kommunikation bei verteilten Automatisierungs- systemen Wahl eines Kommunikationssystems niedrige Verkabelungskosten standardisierte Schnittstellen bezüglich Stecker, Leitungen (mechanisch) Spannungspegel (elektrisch) Übertragungsprotokoll (logisch) Flexibilität bei Änderungen Wesentliche Kosten: mehr Kabel bedeutet mehr Störungen auf den Leitungen geringe Anforderungen an die Kommunikationspartner Speicherplatzbedarf Rechenzeitaufwand hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit sichere Übertragung der Informationen Verwendung von Prüfbits Bestätigung des korrekten Empfangs Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 53 Realisierung hoher Datenübertragungsraten kurze Reaktionszeiten auf Übertragungsanforderungen Kopplung unterschiedlicher Kommunikationspartner Festlegung der der Prioritäten bei bei der der Realisierung der der sich sich zum zum Teil Teil widersprechenden Einzelkriterien Bsp.: hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit durch redundantes Bus-System bedeutet hohe Verkabelungskosten

27 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 54 Grundstrukturen der Kommunikation Stern-Struktur Struktur Ausfall der der Zentraleinheit bedeutet Ausfall der der Kommunikation Ring-Struktur Jede Einheit kann nur nur an an direkte Nachbarn übertragen werden Netz-Struktur Parallele Informationsübertragung, kurze Reaktionszeit, viele viele Schnittstellen, hohe Verkabelungskosten Bus-Struktur nur nur jeweils ein ein Teilnehmer kann senden, gleichzeitige Informationsaufnahme von von allen Teilnehmern Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 55 Grundstrukturen der Kommunikation bei verteilten Automatisierungssystemen a) Stern- Struktur DAE DAE DAE c) Netzstruktur ZAE DAE ZAE DAE DAE DAE DAE DAE DAE b) Ringstruktur DAE ZAE DAE d) Busstruktur ZAE DAE DAE (Daten- sammelleitung) DAE DAE DAE DAE ZAE ZAE = zentrale Automatisierungseinheit DAE DAE = dezentrale Automatisierungseinheit

28 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 56 Bus-Systeme Parallele Busse Adressen, Daten und Steuersignale werden parallel übertragen Leitungsbündel Serielle Busse Distanz: bis 20 m Bits einer Nachricht zeitlich nacheinander Übertragungszeit länger als bei Parallelbus niedrigere Leitungskosten Erhöhung der Zuverlässigkeit Flexibilität bezüglich Leitungsprotokollen Distanz: 20 m bis 15 km Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 57 Arten von Kommunikationssystemen Offenes Kommunikationssystem OSI OSI = Open-System-Interconnection Herstellerspezifisches Kommunikationssystem CSI CSI = Closed-System-Interconnection

29 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 58 ISO/ OSI --Basisreferenzmodell Anwendung ISO IS 7498 (7) Anwendungsschicht (6) Darstellungsschicht (5) Sitzungsschicht (4) Transportschicht (3) Vermittlungsschicht (2) Sicherungsschicht (1) Physikalische Schicht Medium Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 59 Aufgaben der der ISO/OSI- Schichten Schicht 1: Schicht 2: Schicht 3: Physikalische Ebene (Bitübertragungsschicht Physical Layer) Verbindungsebene (Sicherungsschicht, Data Link Layer) Netzebene (Vermittlungsschicht, Network Layer) - Übertragungsmedium - Codierungsart - Schnittstelle - Topologie - Fehlerbehandlung/-erkennung - Zugriffsverfahren - Synchronisation - Netzprotokolle - Datenadressierung - Datenvermittlung - Wegwahl Schicht 4: Schicht 5: Schicht 6: Schicht 7: Transportebene (Transport Layer) Sitzungsebene (Kommunikationssteuerebene, Session Layer) Darstellungsschicht (Presentation Layer) Anwendungsschicht (Verarbeitungsschicht, Application Layer) - Wegparallelisierung - Paketwiederholung - Paketsortierung - Eröffnung - Überwachung - Beendigung der Kommunikation - Sprachanpassung (z.b. zwischen ASCII & EBCDIC) - Datenverschlüsselung - Datenentschlüsselung - Grundvorrat an Diensten - Standardanwendungen - anwendungsspezifisch

30 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Formen der Redundanz Prozessbedienpersonal überwacht parallel zu zu einem Prozessrechner Hardware-Redundanz redundante Hardware Software-Redundanz redundante Software Messwert-Redundanz redundante Messgrößen abhängige Messgrößen Zeit-Redundanz mehrfache Abfrage des des gleichen Messwertes in in bestimmten Zeitabständen Hardware- und und Softwareredundanz bedeutet höherer Aufwand erhöhte Verfügbarkeit sicherheitsrelevante Systeme Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 61 Fehlertolerante Strukturen Ziel: Systeme so zu konstruieren, dass sie nach dem Auftreten von Fehlern in einzelnen Komponenten als Ganzes funktionsfähig sind. Stufen der Fehlertoleranz volle volle Fehlertoleranz verringerte Leistungsfähigkeit Übergang in in einen sicheren Zustand fail operational fail soft, graceful degredation fail safe

31 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 62 Prinzip der Fehlertoleranz Aufbau eines Systems aus redundanten Modulen (Hardware- und Software), um bei Auftreten eines Fehlers die Funktionsfähigkeit des Systems zu erhalten. Arten von Redundanz Statische Redundanz alle alle redundanten Module ständig im im Einsatz Dynamische Redundanz redundante Module Module werden werden erst erst nach nach einem einem Ausfall Ausfall eingesetzt blinde blinde Redundanz redundante Module Module sind sind im im fehlerfreien Fall Fall nicht nicht tätig tätig funktionsbeteiligte Redundanz redundante Module Module führen führen im im fehlerfreien Fall Fall Stand-by-Funktionen durch durch Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 63 Hardware-Redundanz Ziel: Erkennung von Ausfällen der Hardware Einsatzprinzip: m-von-n-redundanz Mehrheitsentscheid Fehler erst bei Mehrfachdefekten Realisierung der Redundanz Doppel-Rechner-Strukturen Drei-Rechner-Strukturen

32 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 64 Doppelrechnerstruktur mit mit statischer Redundanz Eingabesignale (z.b. Messwerte) Rechner 1 Rechner 2 Vergleicher 2 - aus - 2 Ausgabesignal (z.b. Stellgrößen) Alarmsignal Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 65 Doppelrechner-Struktur mit mit dynamisch blinder Redundanz Eingabesignale Ü Arbeitsrechner Stand-by- Rechner Ü Alarm- Meldung Ausgabesignale Ü = Überwachungsprogramm

33 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 66 Doppelrechnerstruktur mit mit dynamisch funktionsbeteiligter Redundanz Eingabesignale Rechner 1 Ü Rechner 2 Ü Alarm- Meldung notwendige Ausgabesignale weniger dringliche Ausgabewerte Ü = Überwachungsprogramm Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 67 Drei-Rechner-Struktur mit mit statistischer Redundanz Eingabesignale Rechner 1 Rechner 2 Rechner 3 Vergleicher 2 - aus - 3 Ausgabesignale

34 Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 68 Software-Redundanz Ziel: Ziel: Erkennung von von Fehlern in in der der Software Ausgangspunkt: Software ist fehlerhaft Redundanzmaßnahmen bei bei Software verschiedenartiger Aufbau von von Programmteilen gleiche Eingangsdaten müssen gleiche Ergebnisse liefern Prozessautomatisierung I 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 69 Verschiedenartigkeit von von Software bei bei gleicher Funktion ((Diversität) Unabhängige Entwicklerteams lösen dieselbe Aufgabe Gezielte Entwicklung verschiedener Strategien, Algorithmen und Software-Strukturen Einsatz bzw. Ausführung diversitärer Software-Teile Redundante Software-Alternativen werden nacheinander ausgeführt und über Entscheider (Voter) verglichen, nicht für Realzeitsysteme mit hohen Zeitanforderungen Parallele Ausführung redundanter Software-Teile auf redundantem Mehrrechnersystem Zyklische Abwechslung der diversitären Teile Vergleich schwierig Zwei Zwei Algorithmen mit mit unterschiedlichen Verarbeitungszeiten Beide Beide Ergebnisse können korrekt sein, sein, obwohl Werte Werte unterschiedlich sind sind