Grundlagen der Automatisierungstechnik für den Studiengang BEL 1. Semester

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1 für den Studiengang BEL 1. Semester 0. Grundlagen 0.1 Grundbegriffe~ 1 ~ Definition des Begriffs Automatisierung Automatisierung ist Einsatz technischer Einrichtungen zum selbsttätigen Ablauf von Vorgängen bzw. Prozessen in technischen Systemen. gezielte Beeinflussung von Energie- und/oder Stoffströmen Grundstruktur einer Automatisierung Bediensignale Bedienen, Beobachten informations-technische Welt Beobachtungssignale Messsignale E Automatisierungseinrichtung A Stellsignale Messeinr. Sensoren technologischer Prozess Stellglieder Aktoren Messgrößen Stellgrößen physikalisch-technische Welt Elemente Automatisierungseinrichtung Informatik, Digitaltechnik Messtechnik Stellglieder/ Aktoren/ Aktuatoren Leistungselektronik elektrische Maschinen (Antriebstechnik) Schaltgeräte 1

2 0.1.3 Hauptanwendungsgebiete der Automatisierung Fertigungstechnik Automobilbau Maschinenbau allgemein Verfahrenstechnik Chemische Industrie (z.b. Erdölaufbereitung) Kraftwerke Gebäudeautomation 0.2 Ziele und Aufbau der Automatisierung Erzielung besserer wirtschaftlicher Ergebnisse hohe Produktivität hohe Qualität geringe Personalkosten geringer Material- und Energieeinsatz Erhöhung der Flexibilität Beherrschung komplizierter Prozesse schnelle Prozesse räumlich verteilte Systeme Erhöhung der Zuverlässigkeit, Sicherheit & Lebensdauer Entlastung des Personals von monotonen oder (gesundheits-)gefährdenden Tätigkeiten Erhöhung des Komforts Teilaufgaben der Automatisierung Messen Stellen Steuern Regeln Schützen Bedienung Visualisierung 2

3 0.2.2 Entwurf/ Design einer Automatisierungsanlage Gegeben Funktion der Anlage Ziel Gesucht Struktur Hardware (Gerätetechnik) Software (Funktionalität) Analyse einer Anlage Gegeben Struktur der Anlage Aufbau Gesucht Funktion Was soll sie können? 0.3 Darstellungsmittel 3

4 1. Kombinatorische Steuerungen In kombinatorischen Schaltungen wird die Funktionalität über Schaltnetze (logische Verknüpfungen) realisiert. Boolesche Algebra UND ODER NICHT disjunktive & konjunktive Normalform 1 Merke: Im Gegensatz zu den eineindeutigen Zusammenhängen der allg. Algebra sind die Operationen der Booleschen Algebra im Allgemeinen nicht umkehrbar. Vielmehr handelt es sich um Zuweisungen eines Ergebnisses. Bei einer kombinatorischen Steuerung gehört zu jeder Kombination der Eingangsgrößen genau eine Kombination der Ausgangsgrößen. E V A 1 entspricht dem UND, + entspricht der ODER-Verknüpfung. 4

5 Beispiel 1 - Entwurf einer kombinatorischen Steuerung Aufgabe: Entwurf einer kombinatorischen Steuerung für einen vorgegebenen Bewegungsablauf mit zwei pneumatischen Arbeitszylindern. Zeitverlauf 2 3 5

6 pneumatischer Schaltplan Betriebsmittel (nähere Informationen zu AZ und Ventilen siehe Abschnitt Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden., S.Fehler! Textmarke nicht definiert.) 2 federrückgestellte einfachwirkende Arbeitszylinder (AZ) 2 federrückgestellte 3/2 Wegeventile (Sperr-Ruhestellung) 4 Endlagensensoren (S1,S2,S3,S4) 1 Starttaster Merke: Bei Betätigung von Sensoren muss man die sogenannte Schalthysterese beachten. Sie bedeutet, dass das Umschalten eines Signals (z.b. an einem Sensor) von der Richtung der Betätigung abhängig ist. Dies bewirkt auch bei Vibrationen die Erzeugung eines eindeutigen Signals. 6

7 Gesucht: Lösung: Aufstellen der SBT (Schaltbelegungs- bzw. Wahrheitstabelle) zur Vereinfachung ohne Startsignal Ergebnisse: Start E4 E3 E2 E1 A1 A2 Zustand 0(1) in Mittellage technologisch nicht möglich 0(1) (1) (1) techn. unmögl. technisch unmöglich 0(1) (1) (0) 0 0(1) 0(1) (1) techn. unmögl. 0(1) (1) (1) (1) techn. unmögl. 0(1) techn. unmögl. 0(1) techn. unmögl. 0(1) techn. unmögl. 0(1) techn. unmögl. Kleine Änderungen im technologischen Ablauf können dazu führen, dass keine kombinatorische Lösung mehr möglich ist. Dies würde hier der Fall sein, wenn wir beispielsweise sagen würden, dass der zweite Arbeitszylinder zeitgleich (also ohne die jetzt vorhandene Verzögerung) mit dem ersten wieder einfährt. 7

8 2. Sequentielle Steuerungen Eine Sequenz ist ein in zeitlicher Abfolge verlaufender Prozess. 2.1 Speicher RS-FlipFlop dominant rücksetzend: SR-FF dominant setzend: RS-FF 8

9 2.2 Zeitfunktionen Typen Im Gegensatz zu Speichern werden Informationen von Zeitfunktionen nur zeitbegrenzt gespeichert. Einschaltverzögerung Ausschaltverzögerung Impulszeit Hier steht die 1 im Schaltsymbol für nicht nachtriggerbar. 9

10 2.3 Entwurf einer Taktkettensteuerung (Ablaufsteuerung) Prinzip für jeden Takt wird ein RS-FF als Speicher verwendet für den Übergang von einem Takt in den nächsten wird eine Übergangsbedingung benötigt Übergangsbedingung = Weiterschaltbedingung = Transition Bedingungen können sein: Schaltbild Ereignisse (z.b. Endlagenschalter) Zeitfunktionen (z.b. Ablaufende eines Timers) 10

11 Vereinfachte Darstellung ) 11

12 2.3.2 Mögliche Strukturen Parallel-Lauf 12

13 Wahl 1 aus n 13

14 Schleife 14

15 Beispiel 2 - Ablaufsteuerung für eine Mischanlage Schaltbild 15

16 Zeitverlauf Erklärungen: (1) Behälter braucht einen Moment, bis er nicht mehr leer ist. (2) Zeit, bis das Ventil geöffnet ist. (3) Zeit, bis das Ventil geschlossen ist. (4) Rührzeit: 10s 16

17 Ablaufdiagramm 17