AT1. Kapitel 3: Prozessperipherie. 3 Prozessperipherie

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1 Kapitel 3: Prozessperipherie 3 Prozessperipherie Lerziele: Die Schittstelle i eiem Automatisierugssystem kee Wisse, was Sesore ud Aktore sid ud wie sie aufgebaut werde Wisse, wie Date i Automatisierugscomputer dargestellt werde Verstehe, wie eie Aalog-Digital-Umsetzug ud umgekehrt erfolgt Uterschiedliche Umsetzer-Realisierugsforme kee Erkläre köe, wie eie digitale Eigabe ud Ausgabe vo Prozesssigale erfolgt 015, IAS Uiversität Stuttgart 133

2 3 Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem 3. Sesore ud Aktore 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale 3.4 Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale 3.6 Ausgabe vo aaloge Sigale 015, IAS Uiversität Stuttgart 134

3 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem AT-Computersystem Ei-/Ausgabeschittstelle Es existiert eie -Wege-Kommuikatio bei der Übertragug vo Prozess- Sigale zwische techischem Prozess ud Automatisierugs- Computersystem: Prozess-Sigaleigabe: Prozessgrösseerfassug Temperatur Prozess-Sigalausgabe: Asteuerug vo Stellglieder Vetil schließe 015, IAS Uiversität Stuttgart 135

4 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem AT-Computersystem Realisierug der Prozess-Sigaleigabe Direkter Aschluss über Leitugsbüdel Eizele Prozess-Sigale sterförmig über Mehraderleituge vo de Sesore zum Automatisierugscomputersystem Prozessdateaufbereitug im Computersystem Aschluss über Feldbussysteme Verbidug über Buskoppler zum Automatisierugscomputersystem Prozessdateaufbereitug i de Automatisierugscomputer Aschluss über Sesor / Aktor-Bus-System Direkter Aschluss des Sesors / Aktors a Bussystem Kovetioelle Art Eisatz i Produktautomatisierug, da kurze Leituge zum Mikrocotroller Eisatz i Alageautomatisierug zur Reduzierug der Verkabelug ud Istallatioskoste Prozessdateaufbereitug im Sesor Moderste Form: Verwedug itelligeter Sesore ud Aktore 015, IAS Uiversität Stuttgart 136

5 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem AT-Computersystem Übersicht der Realisieruge Kopplug Automatisierugs- Computer mit techischem Prozess ud zugehörige Schittstelle Prozess- Sigal- Ei/ Ausgabe Automatisierugs- Computer (z.b. SPS, PC) Bus-Koppler Prozessbus Bus-Koppler Schittstelle zu de höhere Ebee der Computer- Hierarchie Feldbus- Schittstelle Recher-Ei-/Ausgabe- Schittstelle (Recher- Systembus) Prozessperipherie- Schittstelle (elektrische oder optische Sigale) Feldbus... E/A- Kote E/A- Kote Sesor/Aktor- Schittstelle (elektrische oder optische Sigale) Sesore ud Aktore Bk Techischer Prozess i eiem techische System Bk Bk Aktor/Sesor-Bus... Bk Prozessgrößeschittstelle (physikalische Größe) 015, IAS Uiversität Stuttgart 137

6 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem AT-Computersystem Arte vo elektrische Prozess-Sigale aaloge Prozess-Sigale amplitudeaalog frequezaalog phaseaalog biäre Prozess-Sigale Schalterstellug digitale Prozess-Sigale -Bit-Wort Prozess-Sigale i Form vo Impulse Drehzahlgeber Prozess-Sigale i Form vo Impulsflake Zustadsübergag eier Prozessgröße 015, IAS Uiversität Stuttgart 138

7 Etfällt bei der Erfassug biärer oder digitaler Prozess-Sigale 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem AT-Computersystem Iformatiosfluss bei der Prozess- Sigaleigabe (i = 1,,...) Fertigwertliste 015, IAS Uiversität Stuttgart Verstärkug y IPhys (t) Umwadlug y I (t) Durchschaltug y ID (t) A/D Umsetzug Trasformatio y IFa (kt) Filterug Plausibilitätsprüfug y IR (kt) y IFl (kt) y IF (kt) physikalische,im allgemeie icht elektrische Größe im techische Prozess Sesore, Messfühler, Messgeräte, Geber elektrische oder optische Prozess-Sigale adressierbare Durchschalte-Elemete (Multiplexer) der Aalog- bzw. Digital-Eigabe adressierbare ud durchgeschaltete Prozess-Sigale Verstärker Auf höhere Spaugspegel verstärkte Prozess-Sigale Aalog-Digital-Umsetzer Rohwert y IR (kt) Programme zur Umrechug der Rohwerte i Fertigwerte agepasste Fertigwerte Programme zur Awedug vo Filterugsalgorithme gefilterte Fertigwerte Programme zur Plausibilitätsprüfug Auf Plausibilität geprüfte Fertigwerte 139

8 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem AT-Computersystem Frage zu Kapitel 3.1 Welche Aussage i Bezug auf die Aforderuge a Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem AT-Computersystem treffe zu? f f Atwort Itelligete Sesore ud Aktore werde häufig i automatisierte Systeme, wie Kaffeemaschie, eigesetzt. E/A-Kote sammel Iformatioe über Sesore ud Aktore ud stelle diese dem Feldbus zur Verfügug. Der Iformatiosfluss bei der Prozess-Sigaleigabe biärer Sigale ist deutlich kürzer als der vo aaloge Sigale. Prozess-Sigale i Form vo Impulse werde für Zustadsübergäge eigesetzt. 015, IAS Uiversität Stuttgart 140

9 3 Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem 3. Sesore ud Aktore 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale 3.4 Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale 3.6 Ausgabe vo aaloge Sigale 015, IAS Uiversität Stuttgart 141

10 3. Sesore ud Aktore Sesore Aufehmer, Messwertaufahmeeirichtug Aufgabe Erfassug physikalischer Prozessgröße Umwadlug i eie zur Weiterverarbeitug geeigete Form Grezwert-Überwachug Selbsttest Selbstkalibrierug Itelligete Sesore Apassug a ei Bussystem Sie des Automatisierugssystems 015, IAS Uiversität Stuttgart 14

11 3. Sesore ud Aktore Sesorelemet Fühler, Geber Aufgabe Wadlug eier icht-elektrische physikalische Größe i eie elektrische oder optische Größe Ausutzug physikalischer Effekte Widerstadsäderug Äderug der Iduktivität Äderug der Kapazität Piezoelektrischer Effekt Thermoelektrischer Effekt Photoelektrischer Effekt Wirbelstrom-Effekt Strahlugsabsorptio 015, IAS Uiversität Stuttgart 143

12 3. Sesore ud Aktore Beispiel: Itelligeter Sesor "Itelligeter" Sesor physikalische Eigagsgröße Umsetzelemet Sesorelemet Verstärker Aalog- Digital- Umsetzer Mikroprozessor Bus-Apassug Sesor- Bus Kalibrierug 015, IAS Uiversität Stuttgart 144

13 3. Sesore ud Aktore Klassifizierug ach der Art des Sesorausgagssigals biäre Sesore digitale Sesore amplitudeaaloge Sesore frequezaaloge Sesore Sesorsystem Itegratio mehrerer Sesore für verschiedee Prozessgröße mit der Auswerteelektroik auf eiem Bauelemet 015, IAS Uiversität Stuttgart 145

14 3. Sesore ud Aktore Biäre Sesore Ja/ Nei-Iformatio Grezwertgeber/ Schwellwertgeber Beispiel: Edschalter, berührugslos arbeitede Gabellichtschrake Digitale Sesore Umwadlug der ichtelektrische Messgröße i ei digitales Ausgagssigal Umsetzarte direkte Umsetzug Umwadlug des ichtelektrische Sigals mittels Codescheibe (Drehbewegug) oder Codelieal (Liearbewegug) i ei digitales Sigal idirekte Umsetzug Umwadlug des ichtelektrische Sigals i amplitudeaaloges Sigal, da Aalog-Digital-Wadlug 015, IAS Uiversität Stuttgart 146

15 3. Sesore ud Aktore Amplitudeaaloge Sesore Umformug eier ichtelektrische Messgröße i ei amplitudeaaloges Ausgagssigal, d.h. Amplitude des elektrische Ausgagssigals ist proportioal der zu messede physikalische Größe Oft mit Umformerstufe im selbe Gehäuse Verstärkug Normierug Liearisierug Temperaturkompesatio Für alle wichtige Messgröße verfügbar 015, IAS Uiversität Stuttgart 147

16 3. Sesore ud Aktore Frequezaaloge Sesore Liefer ei Wechselspaugssigal, desse Frequez der zu messede physikalische Größe proportioal ist Vorteile: Uempfidlichkeit gege Störbeeiflussug auf de Übertragugsleituge eifache Frequez-Digitalumsetzug durch Zähltechik kei Geauigkeitsverlust bei Verstärkug ud Übertragug eifache Potezialtreug mit Übertrager Selte im Vergleich zu amplitudeaaloge Sesore t t 015, IAS Uiversität Stuttgart 148

17 3. Sesore ud Aktore Arte Physikalische Prozessgröße Sesorelemet Ausgagsgröße Temperatur Druck Kraft Drehzahl Beschleuigug Durchfluss Druckdose mit Membra ud Dehugsmessstreife Druckdose mit Silizium-Membra (piezoresistiver Effekt) Dehugsmessstreife Iduktiver Kraftmessfühler Piezoelektr. Fühler Tachogeerator Impulszählug Silizium-Piezowiderstad Silizium-Kodesator Rigkolbezähler Iduktive Durchflussmesser Aäherug Hallelemet aus Silizium mv Wikel Wikelkodierer Impulsgeber Feuchte Lithiumchlorid-Feuchtefühler mv Lichtitesität Thermoelemet Metallische Widerstäde Halbleiter-Widerstäde (Heißleiter) Keramik-Widerstäde (Kaltleiter) Photodiode Photowiderstad mv Widerstadsäderug Widerstadsäderug Widerstadsäderug Widerstadsäderug Widerstadsäderug Widerstadsäderug Iduktivitätsäderug Ladug V Impulsfolge Widerstadsäderug Kapazitätsäderug Impulsfolge mv Digitalwert Impulsfolge µa Widerstadsäderug 015, IAS Uiversität Stuttgart 149

18 3. Sesore ud Aktore Aktore Aufgabe vo Aktore ist die Umsetzug der vom Automatisierugs- Computersystem ausgegebee Iformatioe i Stelleigriffe i dem techische Prozess Muskel des Automatisierugssystems Aktor als Wadler vo Iformatio i eie Stelleigriff Iformatio (z.b. auf eiem Sesor/Aktor-Bus oder Feldbus) Aktor Hilfseergie Stelleigriff (z.b. Weg, Kraft, Wikel, Drehmomet) Aktore für uterschiedliche Stellgröße optische Größe mechaische Größe thermische Größe Durchflüsse 015, IAS Uiversität Stuttgart 150

19 3. Sesore ud Aktore Aktore mit mechaischer Ausgagsgröße Aktorprizip Elektromechaische Bewegug Hydraulischer Stellzylider Peumatischer Stellzylider Piezoelektischer Effekt Magetostriktiver Effekt Elektrorheologischer Effekt Magetorheologischer Effekt elektrisch erzeugter Gasdruck Bimetall-Effekt Memory-Metalle Silizium-Mikrotechik Aktore Elektromotor, Schrittmotor, Elektromaget, Liearmotor Hydraulische Aktore Peumatische Aktore Piezoelektrische Aktore, Elektrostriktive Aktore Magetostriktive Aktore Elektrorheologische Aktore Magetorheologischer Aktore Chemische Aktore Thermo-Bimetall-Aktore Memory-Metalle-Aktore Mikromechaische Aktore Video: Automatisierter Tischkicker 015, IAS Uiversität Stuttgart 151

20 3. Sesore ud Aktore Frage zu Kapitel 3. Sie solle eie Füllstadssesor für eie Wassertak etwerfe. Welche Größe köe zur Füllstadbestimmug heragezoge werde? Welche Arte vo Sesorelemete köe Sie verwede? Atwort Abstads-Messug Schwimmer mit Poteziometerschaltug Ultraschall-Sesor kapazitiver Sesor Druck-Messug Druckdose mit Membra ud Dehmessstreife Druckdose mit piezoelektrische Elemet Gewichts-Messug Gleichgewichtsmessug mittels Kraftmesser (Dehmessstreife oder piezoelektrisches Elemet) 015, IAS Uiversität Stuttgart 15

21 3 Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem 3. Sesore ud Aktore 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale 3.4 Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale 3.6 Ausgabe vo aaloge Sigale 015, IAS Uiversität Stuttgart 153

22 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale Digital-Eigabe Eigabe vo eizele biäre Prozess-Sigale Bsp.: Edschalter, Maximalwertgeber Eigabe vo Gruppe vo biäre Prozess-Sigale Bsp.: Stellug mehrstufiger Schalter Arte der biäre Eigabesigale Biäre Spaugseigabe Biäre Stromeigabe Biäre Kotakteigabe Stromversorgug für Kotaktgeber Eirichtug zur Uterdrückug vo Kotaktprelluge 015, IAS Uiversität Stuttgart 154

23 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale Uterscheidug bezüglich Sigalparameter Statische Digital-Eigabe High ad Low für biäres Sigal etspreche de zwei Zustäde Dyamische Digital-Eigabe (Impulseigabe) Flake des Sigals diee als biäre Sigalparameter Übergag vo High auf Low ud umgekehrt setzt zugeordetes Speicherelemet Spotae Digital-Eigabe falls Iterrupt ausgelöst wird 015, IAS Uiversität Stuttgart 155

24 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale Sigaldurchschaltug biärer bzw. digital codierter Prozessgröße(1) Zyklische Erfassug Biäres Prozesssigal y I (t) 1 0 t Durchgeschaltetes biäres Prozesssigal Dauer für die Erkeug der Sigaläderug y ID (t) 1 0 T Zyklische Aufrufe der Biärsigal-Eigabe t 015, IAS Uiversität Stuttgart 156

25 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale Sigaldurchschaltug biärer bzw. digital codierter Prozessgröße() Spotae (azyklische) Erfassug Biäres Prozesssigal y I (t) 1 0 t Durchgeschaltetes biäres Prozesssigal y ID (t) 1 Dauer für die Erkeug der Sigaläderug (Dauer für die Iterrupt-Behadlug) Vorteil: Kürzere Erkeugszeit Nachteil: Höherer Aufwad 0 Iterrupt t 015, IAS Uiversität Stuttgart 157

26 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale Darstellug biärer ud impulsförmiger Prozessgröße Zusammefassug biärer/impulsförmiger Prozessgröße zu eiem Recherwort Eizele Bits müsse zugreifbar ud maipulierbar sei Bit-Stelle Für die Darstellug biärer Prozessgrösse ud impulsförmiger Prozessgrösse reicht eie Wortläge vo 16 Bit im allgemeie völlig aus 015, IAS Uiversität Stuttgart 158

27 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale Darstellug digitaler Prozessgröße Digitale Prozessgröße werde meist als Dual-, Oktal- oder Hexadezimalzahl agegebe. Umrechug i die eizele Systeme: Bit-Nr.: Dualzahl: Oktalzahl: Hexadezimalzahl: 17DB D B Für die Darstellug digitaler Prozessgröße reicht eie Wortläge vo 16 Bit i aller Regel aus 015, IAS Uiversität Stuttgart 159

28 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale Grudsätzlicher Aufbau eier statische Digital-Eigabe Eigabeoperatio erfolgt i zwei Schritte: 1. Bereitstellug der Adresse der Biärsigale, die zu eier Gruppe zusammegefasst sid, auf dem Adressbus.. Durchschalte der adressierte Biärsigale zum Datebus Zuleituge & & >1 Date Adresse Steuersigale & Adresse- Decodierug 1 m Rechersystembus Prozessperipherieschittstelle Sesor- Schittstelle 015, IAS Uiversität Stuttgart 160

29 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale Frage zu Kapitel 3.3 Welche Aussage treffe auf Eigabe vo digitale Sigale zu? Atwort f Bei statische digitale Eigabe äder sich die Werte im Betrieb icht. f Bei dyamische digitale Eigabe etspreche die Sigalparameter de Übergäge zwische de Zustäde High Low ud Low High. Bei statische biäre Eigabe etspreche die Sigalparameter de Zustäde High ud Low. Bei dyamische digitale Eigabe etspreche die Sigalparameter der Frequez der Äderug der Zustäde. 015, IAS Uiversität Stuttgart 161

30 3 Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem 3. Sesore ud Aktore 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale 3.4 Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale 3.6 Ausgabe vo aaloge Sigale 015, IAS Uiversität Stuttgart 16

31 3.4 Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale Digital-Ausgabe Grudsätzlicher Aufbau eies Digital-Ausgabe-Moduls Date Adresse Steuersigale Rechersystembus Ausgabe vo eizele Biärsigale Adresse- Decodierug 1 m Ausgabe eier Gruppe vo Biärsigale & & & Durchschaltelemet Zur Realisierug vo Dauersigale Zwischespeicher Ausgabestufe Zuleituge Biärsigal- Aktore Prozessperipherieschittstelle Sesor-/ Aktor- Schittstelle 015, IAS Uiversität Stuttgart 163

32 3.4 Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale Arte der biäre Ausgabesigale Spaugsausgabe Stromausgabe Ausgabe potezialfreier Kotaktstelluge Durchführug vo Digital-Ausgabe Ausgabesigal vom Automatisierugscomputer ist ur da gültig, we etsprechede Adresse a Adressbus aliegt Agesteuerte Geräte (Schütze, Relais, Lampe) beötige Dauersigal als Eigagssigal Zwischespeicher Ausgabeoperatio i drei Schritte: 1. Bereitstellug der Adresse des auszugebede Wortes. Ausgabe der agewählte Biärsigale i de Zwischespeicher 3. Ausgabe des Dauersigals aus dem Zwischespeicher 015, IAS Uiversität Stuttgart 164

33 3.4 Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale Frage zu Kapitel 3.4 Wie viele Biärsigal-Aktore köe mit eier SPS agesteuert werde, we der Adressraum vo bis 00 FF für biäre Ausgabesigale reserviert ist? Atwort 56 biäre Ausgäge stehe zur Verfügug 015, IAS Uiversität Stuttgart 165

34 3 Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem 3. Sesore ud Aktore 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale 3.4 Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale 3.6 Ausgabe vo aaloge Sigale 015, IAS Uiversität Stuttgart 166

35 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Sigaldurchschaltug aaloger Prozessgröße zyklische Durchschaltug y I (t) aaloge Prozessgröße y IR (kt) t zeitdiskrete Folge vo Rohwerte k = t = kt Diskretisierug des zeitliche Verlaufs 015, IAS Uiversität Stuttgart 167

36 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Umsetzug ud Darstellug aaloger Prozessgröße Aaloge Prozessgröße müsse vor ihrer Verarbeitug i eiem Computersystem i eie digitale Größe umgesetzt werde. Diskretisierug des Wertebereichs Darstellugsfehler (% vom Darstellugsitervall) Wertverschlüsselug des Aalog-Digital-Umsetzers Bits Dezimalzahle Erford. Wortläge (Bytes) 0,39% 0,1% 0,05% 0,006% 0,0015% Für die Darstellug aaloger Prozessgröße reicht eie Wortläge vo 16 Bit aus Frage: Wozu 3-Bit-Recher für Automatisierugsaufgabe? größerer Adressraum, größere Rechergeschwidigkeit 015, IAS Uiversität Stuttgart 168

37 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Forme aaloger Prozess-Sigale elektrische Spaugssigale elektrische Stromsigale elektrische aaloge Widerstadswerte Forme der Sigalwadlug Realisierug ergibt sich aus Aforderuge des Gesamtsystems schelle A/D-Wadlug Sigale sofort beötigt lagsame A/D-Wadlug Ausutzug der Verarbeitugszeit 015, IAS Uiversität Stuttgart 169

38 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Grudsätzlicher Aufbau der Eigabe aaloger Sigale Date Adresse Steuersigale Zuleituge Rechersystembus Durchschaltelemete Sesore Busakopplug Aalog- Digital- Umsetzer 1 1 D A U Adresse- Decodierug 1 m Vorverstärker Prozessperipherie- Schittstelle Sesore-Schittstelle 015, IAS Uiversität Stuttgart 170

39 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Schelle Aalog-Digital-Umsetzug Schelle Aalog-Digital-Umsetzug ADU mit Umsetzzeit vo µs, d.h. Abtastfrequez > Werte pro Sekude 1. Durchschaltug des Aalogsigals zum ADU ud Umsetzug. Eigabe des gewadelte Werts über de Datebus Sesore Busakopplug Aalog- Digital- Umsetzer 1 1 D A Date Adresse Steuersigale U Adresse- Decodierug 1 m Vorverstärker Prozessperipherie- Schittstelle Sesore-Schittstelle Durchschaltelemete Zuleituge Rechersystembus 015, IAS Uiversität Stuttgart 171

40 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Lagsame Aalog-Digital-Umsetzug Lagsame Aalog-Digital-Umsetzug ADU mit Umsetzzeit vo > 100 µs, d.h. Abtastfrequez < Werte pro Sekude 1. Adresse des eizugebede Aalogsigals wird zur Durchschaltug ausgegebe. Umsetzug i Digitalwert wird gestartet 3. Aderes Programm wird zur Ausutzug der relativ lage Umsetzzeit gestartet 4. We Umsetzug beedet ist, wird Iterruptsigal erzeugt 5. Etsprechedes Iterruptprogramm liest gewadelte Iformatioe ei 015, IAS Uiversität Stuttgart 17

41 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Arte vo Aalog-Digital-Umsetzer (ADU) Mometawertumsetzer Eizele Werte eies aaloge Prozess-Sigals werde abgetastet ud i digitale Werte umgesetzt Itegrierede Umsetzer (Mittelwertumsetzer) Aaloges Prozess-Sigal wird über eie Periode T der Netzfrequez itegriert ud der Mittelwert gebildet Mittelwert wird i digitale Wert umgesetzt 1 kt u( kt) u( t) dt T ( k 1) T Vorteil: hohe Mess-Sicherheit Vergleichsweise geriger Aufwad Ausschaltug vo hochfrequete, aperiodische Störspitze Uterdrückug vo etzfrequete Störspauge Nur für relativ lagsam veräderliche Prozess-Sigale awedbar 015, IAS Uiversität Stuttgart 173

42 u (t) 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Prizip des itegrierede ADU 1 kt u( kt) u( t) dt T ( k 1) T aaloges Prozess-Sigal, dem eie 50 Hz-Störspaug sowie hochfrequete Störspitze überlagert sid T (k-1) T kt (k+1) T t T = Vielfaches vo 0 ms bei 50 Hz Netzfrequez 015, IAS Uiversität Stuttgart 174

43 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Umsetzverfahre für ADU Mometawertumsetzer Mittelwertumsetzer Vorteil Nachteil Umsetzverfahre hohe Umsetzgeschwidigkeit Werte/s Störimpulse bewirke Verfälschug der Digitalwerte Zählmethode, Stufemethode, direkte Methode hohe Störuterdrückug Gerige Umsetzgeschwidigkeit Spaugszeit- oder Spaugsfrequez- Umsetzer 015, IAS Uiversität Stuttgart 175

44 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Apassug bei Sesore mit liearer Keliie Apassug: Umrechug vo Rohwerte i Fertigwerte Umrechug i techische Eiheite der erfasste Prozessgröße Nullpuktverschiebug falls erforderlich y ifa (kt) y ifamax y ifa (kt) = A + By ir (kt) y ifa o A arc tg B y ifamax - y ifa o y ir (kt) B = (y ifamax -y ifa0 )/y irmax : Steigug y irmax : max. Dualzahl aufgrud Bit-Breite ADU y ifamax : zugehöriger maximaler Fertigwert A = y ifa0 : Nullpuktverschiebug y ir max maximaler Rohwert bei 1 bit ADU: , IAS Uiversität Stuttgart 176

45 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Apassug bei Sesore mit icht-liearer Keliie Verfahre 1 Speicherug vo Stützstelle der Fuktio y ifaa (kt) = f[y ir (kt)] lieare Iterpolatio Verfahre Approximatio der ichtlieare Fuktio y ifaa (kt) = f[y ir (kt)] mit Polyom-Asatz y ifaa = a 0 + a 1 y ir + a y ir +... vorzugsweise, da weiger Speicherplatz erforderlich Awedugsregel Polyome zweiter/dritter Ordug sid i.d.r. ausreiched Stützstelleverfahre, we Polyomasatz icht möglich 015, IAS Uiversität Stuttgart 177

46 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Filterug Zielsetzug: Elimiierug vo Störeiflüsse Awedug itegriereder ADU uterdrückt 50-Hertz-Störspauge Tiefpassfilter i Netzzuleituge ud Aalog-Eigabe-Leituge uterdrücke hochfrequete Störspauge Awedug vo Filterugsalgorithme auf Roh- oder Fertigwerte zur Uterdrückug der übrige Störsigale Ugefiltertes Sigal Gefiltertes Sigal (Whiteig Filter) 015, IAS Uiversität Stuttgart 178

47 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Filteralgorithme Lieare "klassische" Filteralgorithme (lieare Impulsfilter) gefilterter Ausgagswert durch lieare Kombiatio vo aktuelle ud vorausgegagee Werte Voraussetzug: Beispiel: keie Überdeckug der Frequezspektre vo Stör- ud Prozessgrößesigal Mittelwertbildug Lieare "optimale" Filteralgorithme (Optimalfilter, Zustadsfilter) Schätzug der Prozess-Sigale ach gegebeem Gütekriterium Beispiel: Kálmá-Filter Nichtlieare Filteralgorithme Berechug i Abhägigkeit vom Sigalpegel ud zeitlichem Verlauf Beispiel: Mediafilter 015, IAS Uiversität Stuttgart 179

48 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale Frage zu Kapitel 3.5 Der Mittelwert-Umsetzer ist ei Aalog-Digital-Umsetzer. Welche der folgede Aussage trifft zu? Atwort f Es werde immer die Werte i der Mitte eies Itervalls abgetastet. Netzfrequete Störspaug werde uterdrückt. f Der Umsetzer ist ur bei sehr schell veräderliche Sigale awedbar. Die Itegratio erfolgt über ei Vielfaches der Periode der Netzfrequez. Es wird ei vergleichsweise geriger Aufwad zur Realisierug beötigt. Es hadelt sich um ei zeitdiskretes Verfahre. 015, IAS Uiversität Stuttgart 180

49 3 Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem 3. Sesore ud Aktore 3.3 Eigabe vo biäre ud digitale Sigale 3.4 Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 3.5 Eigabe vo aaloge Sigale 3.6 Ausgabe vo aaloge Sigale 015, IAS Uiversität Stuttgart 181

50 3.6 Ausgabe vo aaloge Sigale Aalog-Ausgabe Umsetzug der vom Automatisierugs- Computer kommede digitale, zeitdiskrete Werte i kotiuierliche Sigale & & & Date Adresse Steuersigale Adresse- Decodierug 1 m Durchschaltelemet Zwischespeicher Pufferug um Iformatioe zu speicher D D D A A A D/A-Umsetzer Prizipieller Aufbau eies Aalog-Ausgabe- Moduls Ausgabestufe Zuleituge Rechersystembus Prozess- peripherie- Schittstelle Sesor-/ Aktor- Schittstelle Stellglied Regler 015, IAS Uiversität Stuttgart 18

51 3.6 Ausgabe vo aaloge Sigale Direktverfahre mit Widerstadsetzwerk (1) Realisierug eies DAU durch Summatio gewichteter Ströme U REF MSB S 0 R R 4R R R + - U A Nachteile: LSB R S -1-1 stark uterschiedliche Poteziale a de Schalter (= Trasistore) erforderliche Geauigkeit der stark uterschiedliche Widerstadswerte sehr schwer eizuhalte 015, IAS Uiversität Stuttgart 183

52 3.6 Ausgabe vo aaloge Sigale Direktverfahre mit Widerstadsetzwerk () Realisierug eies DAU s mit Hilfe eies Leiteretzwerkes i REF U REF R U REF / R U REF /4 R U REF /8 U REF R = R 0 R = R 1 R = R R = R 3 R i 0 i 1 i i 3 S 0 S 1 S S 3 R R + i ges i 0 U Ref R i 1 URef 4R i U 8R Ref i 3 U Ref 16R - U A Ströme addiere sich je ach Schalterstellug (= Trasistorzustad) zum Strom i ges Operatiosverstärker erzeugt U A 015, IAS Uiversität Stuttgart 184

53 3.6 Ausgabe vo aaloge Sigale DAU als 1-Bit-Umsetzer Pulsweitemodulator Tiefpass Aaloges Sigal Pulsweitemodulatio mit achgeschaltete Tiefpass zur Mittelwertbildug: Umsetzer arbeitet garatiert mooto (keie Sprüge) Beötigt größere Umsetzugszeit lässt sich mit Hilfe vo Zähler / Vergelicherschaltuge gut als itegrierte Schaltug realisiere Viele Mikrocotroller ethalte bereits Pulsweitemodule 015, IAS Uiversität Stuttgart 185

54 3.6 Ausgabe vo aaloge Sigale Frage zu Kapitel 3.6 I der Alageautomatisierug werde Atriebe icht direkt vom Automatisierugscomputer geregelt, soder zur Asteuerug des Motors werde spezielle Atriebscotroller eigesetzt, die vom Automatisierugscomputer ei digitales Sigal erhalte. Welche Vorteile birgt dieses Verfahre? f Atwort Es erlaubt eie präzisiere Asteuerug des Atriebs als eie Regelug direkt vom Automatisierugscomputer. Der Aufwad zur Etwicklug des Atriebssystems wird reduziert. f Es werde Hardwarekoste gespart, da kei DAU ötig ist. 015, IAS Uiversität Stuttgart 186

55 Kapitel 3: Vorbereitugsfrage Vorbereitugsfrage zu Kapitel 3 Frage 1: Aalog-Digital-Umsetzer (SS 007) I eiem verfahrestechische Prozess soll mittels eies Automatisierugssystems die Temperatur i eiem Reaktor kotrolliert werde. Die zu überwachede Temperature liege zwische 15 C ud 15 C. Zur Regelug der Temperatur ist es erforderlich, dass der Istwert eimal pro Sekude mit eier Geauigkeit vo 0,1 C erfasst wird. Der Sesor ist dabei über eie Meter lage Zweidrahtleitug a de Aalog-Digital-Umsetzer ageschlosse. Ihre Aufgabe als Automatisierugsigeieur ist die Auswahl eies geeigete Aalog-Digital-Umsetzers: Modell Umsetzverfahre Wortläge [Bit] Koste i Euro ADC-DS 8 Dual-Slope-Verfahre 8 5,- ADC-DS 1 Dual-Slope-Verfahre 1 10,- ADC-DS 16 Dual-Slope-Verfahre 16 0,- ADC-PU 8 Parallelumsetzverfahre 8 15,- ADC-PU 1 Parallelumsetzverfahre 1 5,- ADC-PU 16 Parallelumsetzverfahre 16 40,- Wähle Sie eie geeigete Aalog-Digital-Umsetzer aus ud begrüde Sie Ihre Etscheidug. 015, IAS Uiversität Stuttgart 187

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