Wirtschaftsingenieurwesen Automatisierungstechnik. Klausur-Kennzeichen WB-AUT-P Datum

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1 Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen Modul Automatisierungstechnik Art der Leistung Prüfungsleistung Klausur-Kennzeichen WB-AUT-P Datum Bezüglich der Anfertigung Ihrer Arbeit sind folgende Hinweise verbindlich: Verwenden Sie ausschließlich das vom Aufsichtsführenden zur Verfügung gestellte Papier, und geben Sie sämtliches Papier (Lösungen, Schmierzettel und nicht gebrauchte Blätter) zum Schluss der Klausur wieder bei Ihrem Aufsichtsführenden ab. Eine nicht vollständig abgegebene Klausur gilt als nicht bestanden. Beschriften Sie jeden Bogen mit Ihrem Namen und Ihrer Immatrikulationsnummer. Lassen Sie bitte auf jeder Seite 1/3 ihrer Breite als Rand für Korrekturen frei, und nummerieren Sie die Seiten fortlaufend. Notieren Sie bei jeder Ihrer Antworten, auf welche Aufgabe bzw. Teilaufgabe sich diese bezieht. Die Lösungen und Lösungswege sind in einer für den Korrektanten zweifelsfrei lesbaren Schrift abzufassen. Korrekturen und Streichungen sind eindeutig vorzunehmen. Unleserliches wird nicht bewertet. Bei nummerisch zu lösenden Aufgaben ist außer der Lösung stets der Lösungsweg anzugeben, aus dem eindeutig hervorzugehen hat, wie die Lösung zustande gekommen ist. Die Klausur-Aufgaben können einbehalten werden. Dies bezieht sich nicht auf ausgeteilte Arbeitsblätter, auf denen Lösungen einzutragen sind. Zur Prüfung sind bis auf Schreib- und Zeichenutensilien ausschließlich die nachstehend genannten Hilfsmittel zugelassen. Werden andere als die hier angegebenen Hilfsmittel verwendet oder Täuschungsversuche festgestellt, gilt die Prüfung als nicht bestanden und wird mit der Note 5 bewertet. Bearbeitungszeit: 90 Minuten Hilfsmittel: Anzahl Aufgaben: 10 Höchstpunktzahl: 100 Für die Aufgaben 1 bis 6: keine Für die Aufgaben 7 bis 10: Studienbriefe, Taschenrechner, Formelsammlung eigener Wahl Vorläufiges Bewertungsschema: Punktzahl von bis einschl. Note ,0 sehr gut 90 94,5 1,3 sehr gut 85 89,5 1,7 gut 80 84,5,0 gut 75 79,5,3 gut 70 74,5,7 befriedigend 65 69,5 3,0 befriedigend 60 64,5 3,3 befriedigend 55 59,5 3,7 ausreichend 50 54,5 4,0 ausreichend 0 49,5 5,0 nicht ausreichend Viel Erfolg! Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 1/08, AUT, WB 008 GmbH WB-AUT-P

2 Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 1/08, Automatisierungstechnik, WB 1. Teil der Klausur ohne Hilfsmittel Aufgabe 1 8 Punkte 1.1 Was nimmt die Mechanisierung dem Menschen ab, und was die Automatisierung? 4 1. Erläutern Sie die Begriffe Mechanisierung und Automatisierung anhand des Beispiels 4 der Bremse eines Autos. Aufgabe 8 Punkte Vervollständigen Sie die weißen Felder in untenstehender Tabelle. Hinweis: Benutzen Sie zur Lösung dieser Aufgabe das Ihnen zur Verfügung gestellte Arbeitsblatt 1. Aufgabe 3 6 Punkte 3.1 Welches sind die vier Phasen im Lebenszyklus eines Automatisierungsvorhabens? 4 3. Warum sollten in bestehende Automatisierungssysteme technische Innovationen bevorzugt in Form von Software eingearbeitet werden? WB-AUT-P GmbH Seite 1/3

3 Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 1/08, Automatisierungstechnik, WB Aufgabe 4 7 Punkte In einer umzäunten Fertigungszelle arbeitet ein Roboter. Die Zugänge zur Fertigungszelle müssen aus Sicherheitsgründen mit verschiedenen Sensoren und einer speziellen SPS überwacht werden. Wird ein Eindringen in den Sicherheitsbereich detektiert, muss der Roboter in den sicheren Stillstand gebracht werden. 4.1 Zur Gewährleistung der Sicherheit muss spätestens 500 ms nach Öffnen eines Zugangs von der SPS das Signal zum Anhalten des Roboters gegeben werden. Die Abarbeitung des Steuerungsprogramms in der SPS, welches alle Sensorsignale auswertet und gegebenenfalls ein Haltsignal erzeugt, dauert 150 ms. Die Erfassung aller Eingangssignale benötigt 50 ms, die Ausgabe der Ausgangssignale ebenfalls 50 ms. Kann die Zykluszeit so gewählt werden, dass Motorschäden vermieden werden? 5 Bitte begründen Sie Ihre Antwort. 4. Wie lange muss bei dieser Zykluszeit das Signal eines Sensors anliegen, damit es mit Sicherheit erfasst wird? Aufgabe 5 5 Punkte Die untenstehende Abbildung zeigt einen Regelkreis, der gegenüber dem Standardregelkreis eine Ergänzung (gestrichelt eingezeichnet) besitzt. 5.1 Wie heißt diese Ergänzung? 5. Was bewirkt diese Ergänzung? 3 WB-AUT-P GmbH Seite /3

4 Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 1/08, Automatisierungstechnik, WB Aufgabe 6 6 Punkte Die folgenden Abbildungen zeigen Amplitudengänge von Regelkreisgliedern. Geben Sie jeweils an, um welches Regelkreisglied es sich handelt WB-AUT-P GmbH Seite 3/3

5 Arbeitsblatt 1, Prüfungsleistung 1/08, Automatisierungstechnik, WB Name, Vorname Matrikel-Nr. 1. Teil der Klausur ohne Hilfsmittel Tragen Sie bitte oben Ihren Namen, Vornamen sowie Matrikel-Nummer und in das Arbeitsblatt Ihre Lösungen ein, und geben Sie dieses Blatt in jedem Fall zusammen mit Ihren übrigen Arbeitsbögen ab. zu Aufgabe : WB-AUT-P GmbH Seite 1/1

6 Arbeitsblatt, Prüfungsleistung 1/08, Automatisierungstechnik, WB Name, Vorname Matrikel-Nr.. Teil der Klausur mit Hilfsmitteln Tragen Sie bitte oben Ihren Namen, Vornamen sowie Matrikel-Nummer und in das Arbeitsblatt Ihre Lösungen ein, und geben Sie dieses Blatt in jedem Fall zusammen mit Ihren übrigen Arbeitsbögen ab. zu Aufgabe 8.1: x(t) t in Sekunden WB-AUT-P GmbH Seite 1/1

7 Korrekturrichtlinie zur Prüfungsleistung Automatisierungstechnik am Wirtschaftsingenieurwesen WB-AUT-P Für die Bewertung und Abgabe der Prüfungsleistung sind folgende Hinweise verbindlich: Die Vergabe der Punkte nehmen Sie bitte so vor, wie in der Korrekturrichtlinie ausgewiesen. Eine summarische Angabe von Punkten für Aufgaben, die in der Korrekturrichtlinie detailliert bewertet worden sind, ist nicht gestattet. Nur dann, wenn die Punkte für eine Aufgabe nicht differenziert vorgegeben sind, ist ihre Aufschlüsselung auf die einzelnen Lösungsschritte Ihnen überlassen. Stoßen Sie bei Ihrer Korrektur auf einen anderen richtigen als den in der Korrekturrichtlinie angegebenen Lösungsweg, dann nehmen Sie bitte die Verteilung der Punkte sinngemäß zur Korrekturrichtlinie vor. Rechenfehler sollten grundsätzlich nur zur Abwertung des betreffenden Teilschrittes führen. Wurde mit einem falschen Zwischenergebnis richtig weitergerechnet, so erteilen Sie die hierfür vorgesehenen Punkte ohne weiteren Abzug. Ihre Korrekturhinweise und Punktbewertung nehmen Sie bitte in einer zweifelsfrei lesbaren Schrift vor. Die von Ihnen vergebenen Punkte und die daraus sich gemäß dem nachstehenden Notenschema ergebende Bewertung tragen Sie in den Klausur-Mantelbogen sowie in das Formular Klausurergebnis (Ergebnisliste) ein. Bitte legen Sie Ihrer Bewertung das folgende Bewertungsschema zugrunde: Punktzahl von bis einschl. Note ,0 sehr gut 90 94,5 1,3 sehr gut 85 89,5 1,7 gut 80 84,5,0 gut 75 79,5,3 gut 70 74,5,7 befriedigend 65 69,5 3,0 befriedigend 60 64,5 3,3 befriedigend 55 59,5 3,7 ausreichend 50 54,5 4,0 ausreichend 0 49,5 5,0 nicht ausreichend Die korrigierten Arbeiten reichen Sie bitte spätestens bis zum 07. Januar 009 in Ihrem Studienzentrum ein. Dies muss persönlich oder per Einschreiben erfolgen. Der angegebene Termin ist unbedingt einzuhalten. Sollte sich aus vorher nicht absehbaren Gründen eine Terminüberschreitung abzeichnen, so bitten wir Sie, dies unverzüglich dem Prüfungsamt der Hochschule anzuzeigen (Tel. 040 / bzw. birgit.hupe@hamburger-fh.de). Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 1/08, AUT, WB 008 GmbH WB-AUT-P

8 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 1/08, Automatisierungstechnik, WB Bitte beachten Sie: Die jeweils im Lösungstext angeführten Punkte ( ) geben an, für welche Antwort die einzelnen Teilpunkte für die Aufgabe zu vergeben sind. Lösung 1 vgl. SB 1, Abschn Punkte 1.1 Die Mechanisierung ersetzt die ergonomischen (1) und energetischen (1) Fähigkeiten des Menschen, die Automatisierung ersetzt Wahrnehmungsfähigkeiten (1) und intellektuelle Fähigkeiten (1) des Menschen. 1. Mechanisierung der Bremse: Der Fahrer muss nicht mehr wie früher bei Kutschen mit Muskelkraft die Bremsklötze an die Räder bzw. Bremsscheiben drücken, sondern dies übernimmt die Hydraulik (1). Der Mensch bestimmt durch den Druck auf das Bremspedal die Stärke des Bremsens (1). Automatisierung der Bremse: Mit Hilfe von Sensoren wird von einem Rechner erkannt, ob Räder zu blockieren drohen. Der Rechner stellt die Bremskraft so ein, dass die Räder nicht blockieren (und das Auto damit lenkbar bleibt) (Anti-Blockier-System) (1). Der Mensch gibt in dieser Situation nur den Sollwert (maximale Bremsung) vor (1). 4 Lösung vgl. SB 1, Abschn..6 8 Punkte 8 Hinweis: Für jeden richtigen Eintrag 1 Punkt, maximal 8 Punkte. WB-AUT-P GmbH Seite 1/7

9 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 1/08, Automatisierungstechnik, WB Lösung 3 vgl. SB, Abschn. 4 6 Punkte 3.1 Planen (1), Errichten (1), Betreiben (1), Erneuern (1) Software ist flexibler zu ändern (1), ein Eingriff in die Hardware ist demgegenüber teurer und aufwändiger (1). Lösung 4 vgl. SB 3, Abschn Punkte 4.1 Die Zykluszeit setzt sich zusammen aus: Erfassung aller Eingangssignale (50 ms) + Abarbeitung des Steuerungsprogramms (150 ms) + Ausgabe der Ausgangssignale (50 ms) = 50 ms. Dies ist der minimale Wert, der eine vollständige Programmabarbeitung erlaubt, eine längere Zykluszeit wäre grundsätzlich erst einmal möglich. Aber nur mit diesem minimalen Wert lässt sich die zweite Echtzeitbedingung Antwortzeit = Zykluszeit = 500 ms zulässige Antwortzeit = 500 ms erfüllen. Mit der Zykluszeit von 50 ms kann das Programm vollständig abgearbeitet werden und die Steuerung rechtzeitig reagieren, so dass Gefahren vermieden werden. 4. Entsprechend der ersten Echtzeitbedingung Meldezeit Erfassungszeit = Zykluszeit (1) muss das Signal eines Sensors mindestens 50 ms anliegen (1). 1 Lösung 5 vgl. SB 4, Abschn Punkte 5.1 Es handelt sich um eine Störgrößenaufschaltung. 5. Die Störgröße wird gemessen und über eine geeignete Funktion dem Eingang des Reglers zugeführt. Der Regler kann daher schneller (1) auf Änderungen der Störgröße reagieren, weil diese nicht erst verzögert über ihre Auswirkung auf die Regelgröße erfasst werden (1). Damit wird das Verhalten des Regelkreises bei Störungen verbessert (1). 3 Lösung 6 vgl. SB 4, Abschn. 6 Punkte 6.1 PD-Glied 6. I-Glied 6.3 PT-Glied (Abfall oberhalb der Eckkreisfrequenz mit 40 db/dekade) WB-AUT-P GmbH Seite /7

10 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 1/08, Automatisierungstechnik, WB Lösung 7 vgl. SB 1, Abschn..6 und SB 3, Abschn Punkte 7.1 Funktionstabelle: S4 S H (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) (0,5) 8 7. Schaltungsgleichung: H = S4 S S S S S S S 3,5 Für jeden korrekten Term 0,5 Punkt, max. 3,5 Punkte 7.3 Durch Anwendung der Rechengesetze der Schaltalgebra ergibt sich:. H = S4 S S S H = ( ) S4 ( ) S4 S S S 1 Wegen x x = 1 folgt H = S. 1 4 S S Zusätzlich könnte noch 4 S aus den beiden ersten Termen ausgeklammert werden, was aber keinen Vorteil bringt. Das Ergebnis kann interpretiert werden als M4 darf nicht zusammen mit M3 oder M betrieben werden, und M1, M und M3 dürfen nicht zusammen betrieben werden. WB-AUT-P GmbH Seite 3/7

11 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 1/08, Automatisierungstechnik, WB 7.4 Funktionsplan bzw. Logikplan: 3,5 Hinweis: 1 Punkt für jedes UND-Glied und 0,5 Punkte für ODER-Glied, maximal 3,5 Punkte. Lösung 8 vgl. SB 4, Abschn..4. und SB 5, Abschn Punkte K S T u = 0,6 s T g =,7 s t in Sekunden WB-AUT-P GmbH Seite 4/7

12 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 1/08, Automatisierungstechnik, WB Aus der Abbildung ergibt sich KS =,5 1 Tu = 0,6 s T g =,7 s. Hinweis: Für die korrekte Einzeichnung der Wendetangente und der Schnittstellen sind 3 Punkte zu vergeben. 8. Nach SB 4, Tabelle. ist mit T T u g 0,6 s = 0,,7 s 1 die Strecke noch regelbar Aus der SB 5, Tabelle 4.1 entnimmt man Formel 4.7: 0,34T g K R = (1) und N 1, Tg KSTu T = (1). Durch Einsetzen der Werte aus Teilaufgabe 10.1 erhält man: 0,34,7 s K R = = 0,61,5 0,6 s 1 T N = 1,,7 s = 3,4 s. 1 WB-AUT-P GmbH Seite 5/7

13 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 1/08, Automatisierungstechnik, WB Lösung 9 vgl. SB 3, Abschn Punkte 14 Hinweis: 0,5 Punkte für jeden richtigen Schritt, 0,5 Punkte für jede richtige Aktion, 1 Punkt für jede richtige Transition, 0,5 Punkte für Parallelverzweigung, maximal 14 Punkte. WB-AUT-P GmbH Seite 6/7

14 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 1/08, Automatisierungstechnik, WB Lösung 10 vgl. SB 4, Abschn Punkte 10.1 Die Lösung kann a) durch Einführen von Zwischengrößen, Aufstellen von Gleichungen für jeden Block und jede Summationsstelle und anschließendes Einsetzen gefunden werden oder b) auf grafischem Wege. Durch Verschieben der mittleren Verzweigungsstelle über G hinweg (SB 4, Abb. 1.3 c) ergibt sich folgendes Blockschaltbild: 3 Durch Zusammenfassen von G 1 und G im Vorwärtszweig (Reihenschaltung, SB 4, Formel 1.) und Zusammenfassen der Glieder in der Rückführung (Parallelschaltung, SB 4, Formel 1.3) ergibt sich folgendes Blockschaltbild: 3 Durch Auflösen der Rückkopplung (SB 4, Formel 1.9) und ergibt sich G S zu: G1G G1GG3 GS = G3 = 1 + G1G (1 + 1/ G ) 1 + G1 + G1G. 10. Mit den gegebenen Übertragungsfunktionen ergibt sich G S zu: p 3p + 1 p 3p + 1 GS = = p 6 p p Multiplikation mit p und ( 3p + 1) in Zähler und Nenner führt auf:,5,5 GS = = ( p + 1)(3p + 1) p + 3p. Es handelt sich um PT-Verhalten. 1 WB-AUT-P GmbH Seite 7/7