1. NETZWERKE IN DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK. 1.1 Klassifizierung von Produktionsunternehmen o Fertigungstechnische und produktionstechnische Anlagen

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August Wetzel
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1 1. NETZWERKE IN DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK 1.1 Klassifizierung von Produktionsunternehmen o Fertigungstechnische und produktionstechnische Anlagen 1.2 Aufbaustruktur einer typischen Produktionsanlage Aus welchen Komponenten besteht eine Produktionsanlage? o Anlagenkomponenten (Rohrsysteme, Ventile, Mischer etc.) o Automatisierungsmittel (Sensoren, Aktoren, Steuerungsrechner Leitsysteme) -> Topologie 1.3 Automatisierungspyramide: Zuordnung der Geräte und Anwendungen auf den einzelnen Ebenen o Feldebene -> Feldgeräte, Standard-Schnittstellen, Anwendungen o Prozessebene und Aufgaben der einzelnen Ebenen o Leitebene -> Open Control Systems 1.4 Hierarchiediagramme und Automatisiserungsebenen o operative Automatisiserungsebenen o dispositive Automatisiserungsebenen o Aufgaben und Eigenschaften der Feldebene/Prozessebene/Leitebene im Vergleich 1.5 Einteilung/Klassifizierung von Automatisierungssystemen zentrale, dezentralisierte und verteilte (vollständig dezentralisierte) Automatisierungsstrukturen o Übung: Klassifikation von Automatisierungssystemen nach Topologie, Funktionsstruktur und Verbindungstechnik 1.6 Aufbaustruktur und Vernetzungstechnik eines verteilten (vollständig dezentralisierten) Automatisierungssystem o Struktur von intelligenten Sensoren und Aktoren o Dokumente zum Feldbus Foundation Fieldbus Understanding Foundation Fieldbus Technology - Overview (1.1MB) Foundation Fieldbus Technical Brochure (964kB) Foundation Fieldbus Blocks and Applications (1.2MB) Foundation Fieldbus Tutorial, Fa. SMAR (1.1MB) Foundation Fieldbus Solution and Asset Optimization, Fa. ABB (950kB) 1

2 1.1 Klassifizierung von Produktionsunternehmen 2

3 1.2 Aufbaustruktur einer typischen Produktionsanlage 3

4 1.3 Automatisierungspyramide: Zuordnung der Geräte und Anwendungen auf den einzelnen Ebenen 4

1.4 Hierarchiediagramme und Automatisiserungsebenen 1.4.1 Die operativen Automatisierungsebenen...5 1.4.2 Aufgaben der operativen Automatisierungsebenen...6 Aufgaben auf der Leitebene.

5 1.4 Hierarchiediagramme und Automatisiserungsebenen Die operativen Automatisierungsebenen Aufgaben der operativen Automatisierungsebenen...6 Aufgaben auf der Leitebene...9 Aufgaben auf der Prozess- bzw. Steuerungsebene...8 Aufgaben auf der Feldebene Signalverarbeitungskette und Aufgaben eines intelligenten Feldgerätes Bewertung der Datenmengen (quantitativ und qualitativ)...13 Die dispositiven Automatisierungsebenen...14 Merkmale der Anwendungen auf der dispositiven Automatisierungsebene Die operativen Automatisierungsebenen Leitebene O-Net Composer Printer X- Net X-Terminals/ PC-Clients Workstation (WS) Printer X- Net WS Prozeßebene Feldebene C-Net (O) Conventional I/O Boards Gateway CCO HART Ex C-Net (C) Prozeßstation CMC Contrans FB Aktor F-Net PLC (SPS) Sensoren/Aktoren: Profibus DPV1, 12 Mbit/s DP PA Temperature transmitter Gateway Profibus PA, 31,25 kbit/s... p/dp transmitter TZID Flow Bild: Operative Automatisierungsebenen Merkmale der Anwendungen in der operativen Automatisierungsebene: - Geringe Datenmengen (Bits z. B. bei binären Signalgebern, wenige Bytes bei Regelungsvorgängen => kurze Datenblöcke, z. B. 3 Byte-Frame beim Fieldbus Foundation (akt. Wert, Validität, Funktionsblockstatus); Fieldbus Foundation siehe auch OPC-Standard - Kurze Kommunikationszyklen (wg. kurze Regelzyklen) - Botschafts-/objektorientiert (die Sensor-/Aktordaten selbst werden adressiert und priorisiert) - Welche Daten: steuernde, regelnde, synchronisierende Daten (Semaphoren), Messdaten, Asset Management Daten, Alarme...) - Hohe Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit (wg. Stabilität der Regelprozesse) 5

1.4.2 Aufgaben der operativen Automatisierungsebenen Aufgaben auf der Feldebene Erfassung der physikalischen Messgrößen, z. B. Druck, Temperatur, Durchfluss etc.

zur Termperaturaufnahme analoge Übertragungsmedium 0-10V Kabel (Einzelverdrahtung, 2-, 3-, 4-Drahtverbindung) 0/4-20mA Kabel (Einzelverdrahtung, 2-, 3-, 4-Drahtverbindung) digital Übertragungsmedium

6 1.4.2 Aufgaben der operativen Automatisierungsebenen Aufgaben auf der Feldebene Erfassung der physikalischen Messgrößen, z. B. Druck, Temperatur, Durchfluss etc. Wandlung in elektrische Signale Signalaufbereitung (analog, digital) Signalauswertung (=> Prozess- und Steuerungsebene) Signalübertragung Bild: Transmitter zur Druckaufnahme p/dp Bild: Transmitter zur Termperaturaufnahme analoge Übertragungsmedium 0-10V Kabel (Einzelverdrahtung, 2-, 3-, 4-Drahtverbindung) 0/4-20mA Kabel (Einzelverdrahtung, 2-, 3-, 4-Drahtverbindung) digital Übertragungsmedium 0/24V Kabel (Einzelverdrahtung, 2-, 3-, 4-Drahtverbindung) alternativ Übertragungsmedium Digitale Feldbusschnittstelle Serielle 2-Drahtverbindung Smart Glasfaser Funk (wireless) Bild: Standardsignale zur Ankopplung der Prozessperipherie 6

7 - Signalverarbeitungskette und Aufgaben eines intelligenten Feldgerätes Informationstransport Transport von - Zustandsdaten - komprimierte Daten - Zeitsignalfolgen - Alarme - etc. Signalauswertung und -verknüpfung /Merkmalsextraktion x t - Datenformatanpassung - Datenreduktion - "Vor Ort"-Signalspeicherung - Autokalibrierung - Meßwertauswertung - Signal-Klassifikation - Signalverknüpfung - Steuerung- u. Regelfunktionen - Protokollkonvertierung - etc. Signalerfassung Signalvorverarbeitung Elektronische Signalkonditionierung Elementar- Sensor Integrierter Sensor Smart - Sensor Intelligentes Sensor-Subsystem - Nullpunktfehler-Korrektur - digitale Filterung - Kennlinienkorrektur - etc. - A/D-Wandlung - Ereignissteuerung - Offset-Korrektur - Filterung - Verstärkung - Selektion Spannungseingang Stromeingang Ladungseingang Sensortyp - taktil - berührungslos Bild: Signalverarbeitungskette mit Aufgabenzuordnung 7

8 Das nachstehende Bild zeigt die typischen Aufgaben- bzw. Funktionsbereiche eines intelligenten, d. h. mikrocontrollergestützten Feldgerätes. Die Signalwirkungslinie reicht von der Erfassung des Prozesssignals mit Hilfe von Elementarsensoren, der analogen Signalkonditionierung und -vorverarbeitung bis hin zur Signalverknüpfung und dem Transport des nunmehr digitalen Prozesssignals an benachbarte Sensoren oder zentralen Automatisierungsmitteln. Bild: Signalverarbeitungskette in eines intelligenten Feldgerätes zur Prozesssignalaufnahme (intelligenter Sensor) Aufgaben auf der Prozess- bzw. Steuerungsebene Linearisierung und Signalaufbereitung (evtl. bereits schon in der Feldebene) Regelung und Steuerung Prozesssignalserver für die Leitebene (ActuServer), ggf. mit quellnaher Filterung Redundanz (Verfügbarkeitsstrategien) 8

9 Bild: Aufbaustruktur eines Prozessrechners 9

Aufgaben auf der Leitebene Leiten (Prozessvorgaben) Bedienen und Beobachten (Prozessvisualisierung) Rezepterstellung (Batch-Processing) Melde- und Alarmwesen (Alarmbrowser, Quittierung der Alarme)

) Programmierung (Composer, Konfigurator) Trenddarstellung (Trendkurven, Diagramme) Bild: Die Applikation Bedienen und Beoachten auf der Leitebene Mit Hilfe eines grafischen Editors und umfangreichen

10 Aufgaben auf der Leitebene Leiten (Prozessvorgaben) Bedienen und Beobachten (Prozessvisualisierung) Rezepterstellung (Batch-Processing) Melde- und Alarmwesen (Alarmbrowser, Quittierung der Alarme) Protokollierung und Archivierung (Prozessgrößen, Trends etc.) Programmierung (Composer, Konfigurator) Trenddarstellung (Trendkurven, Diagramme) Bild: Die Applikation Bedienen und Beoachten auf der Leitebene Mit Hilfe eines grafischen Editors und umfangreichen Bausteinbibliotheken (Paletten) werden anlagenspezifische Prozessabbilder erstellt, die mit weiteren funktionstragenden Elementen angereichert werden. Diese Elemente werden während des Konfigurationsvorganges den einzelnen Prozesssignalwerten zugeordnet. Funktionstragende Elemente sind z.b. Einzelne digitale Werte Diagramme Trendgrafiken Auswahlbutton 10

11 etc. Das nachfolgende Bild zeigt den grafischen Editor zur Modellierung einer verfahrenstechnischen Anlage. Bild: Konfiguration eines Prozessmodells (auf der Leitebene) 11

12 Bild: Alarmbrowser (Melden und Alarmieren) Legende: 12

13 1.4.3 Bewertung der Datenmengen (quantitativ und qualitativ) Bild 1: Kommunikationshierarchie eines Industrieunternehmens 13

14 14

Die dispositiven Automatisierungsebenen Bild: Aufgaben der dispositiven Automatisierungsebenen Merkmale der Anwendungen auf der dispositiven Automatisierungsebene - große Datenmengen

15 Die dispositiven Automatisierungsebenen Bild: Aufgaben der dispositiven Automatisierungsebenen Merkmale der Anwendungen auf der dispositiven Automatisierungsebene - große Datenmengen (Konstruktionsdateien, Angebotsdaten etc.) - zeitunkritisch - nicht deterministisch (Determinismus: Vorhersagbarkeit des Eintreffens der Informationen) - nicht echtzeitfähig (Rechtzeitigkeit, Gleichzeitigkeit) - teilnehmerorientiert (Teilnehmer (IP) bzw. Applikation (Port) werden adressiert) - Welche Daten (Auftrags-, Bestell-, QS- Bestandsdaten, Produktionsdaten, Alarme..) - Große Entfernungen (insbesondere bei Unternehmen mit mehreren Standorten) 15

16 Leitebene Steuerungsebene/ Prozessebene Feldebene/ Sensor-/Aktorebene Bild: Charakteristik der Automatisierungsebenen 16

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