3. Stelltechnik / Aktorik

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1 3. Stelltechnik / Aktorik 3.1 Grundstrukturen von Aktoren Aktor ist Bindeglied zwischen Informationsverarbeitung und technischem Prozess

2 3. Stelltechnik / Aktorik 3.1 Grundstrukturen von Aktoren Aufgabe von Aktoren: Umsetzung leistungsarmer Stellgrößen (z.b V; 0 20 ma) in Prozesseingangsgrößen (z.b. Masse-/Energiestrom) mit höherem Leistungsniveau Gesteuerter Aktor Geregelter Aktor Isermann: Mechatronische Systeme Beispiel Ventil

3 3.2 Übersicht der Aktoren 3. Stelltechnik / Aktorik Stein, Bettenhäuser Automatisierungstechnik in der Maschinentechnik

4 3.2 Übersicht der Aktoren 3. Stelltechnik / Aktorik Skript Automatisierungstechnik ; Prof. Bender; Prof. Schiller itm TU München

5 3.3 Fluidtechnische Aktoren 3. Stelltechnik / Aktorik Steuern durch Drosselung und/oder Verteilung eines Volumen- bzw. Massenstroms Fluiddynamische Grundlagen Druckbilanz nach Bernoulli: 2 2 w1 p1 w2 p2 p R 2 2 steuerbare Querschnittsverengung (z.b. mit Stellventil) Durchflußgleichung : 2 pv V Ad( y) KV( y) pv 0 p v0

6 3.3 Fluidtechnische Aktoren 3. Stelltechnik / Aktorik Dimensionierung von Stellventilen Öffnungskennlinien: pv 0 V KV ( y) p v0 KV f( y) mit 2 Standardformen lineare Öffnungskennlinie: KV K V0 K V0 y 1 K K K y V100 V100 V exponentielle Öffnungskennlinie: y m V V0 y V100 K K K 100 e m ln K K K V100 V100 V0

7 3.3 Fluidtechnische Aktoren 3. Stelltechnik / Aktorik weitere Kennlinien : Betriebskennlinie und Anlagenkennlinie siehe Beispiel Ventilbemessung mögliche Einteilung der Stellventile Wegeventile: Ändern, Öffnen oder Schließen definierter Durchflusswege (Bsp: 2/2-Wegeventil, d.h. 2 Anschlüsse, 2 Schalterstellumgen) Stromventile: Beeinflussung des Volumenstroms in einer gewünschten Art und Weise (Drosselventile)

8 3.3 Fluidtechnische Aktoren 3. Stelltechnik / Aktorik Druckventile: beeinflussen den Druck in einem hydraulischen / pneumatischen System; Druck der Anlage wirkt auf Ventil mit entgegengesetzt gerichteter Federkraft (Druckbegrenzungsventil) Sperrventile: sperren Volumenstrom in eine Richtung ab

9 4. Kommunikationssysteme Informationsaustausch spielt zentrale Rolle Art der Vernetzung kommunikationsfähiger Elemente und Kommunikationsprotokolle sind entscheidend wichtigste Kriterien: - Rechtzeitigkeit des Info-austausches -Störungsfreiheit und Zuverlässigkeit der Systeme - Erweiterbarkeit des Kommunikationssystems / Kompatibilität seiner Komponenten

10 4.1 Netzwerktopologien 4. Kommunikationssysteme Netzwerk: kommunikationsfähiger Verbund von Automatisierungsgeräten (Sensoren, Aktoren und Steuerungen) in verteilten Automatisierungssystemen Anforderungen an ein Netzwerk: - geringevernetzungskosten - flexibel bei Änderungen - Schnittstellen sind offen und standardisiert - hohe Übertragungssicherheit und kurze Reaktionszeiten Netzwerktopologien: beschreiben Art und Logik der Verbindungen; typische Topologien sind Zweipunktverbindungen, Sternstrukturen, Ringstrukturen, Netzstrukturen und Busstrukturen

11 4. Kommunikationssysteme Kopplung von Automatisierungscomputer mit technischem Prozess (Zweipunkt- und Busstruktur): a) b) a) direkter Anschluss von Sensoren und Aktoren b) Anschluss über Feldbus und E/A-Knoten c) Anschluss intelligenter Sensoren und Aktoren c) Lauber/Göhner: Prozessautomatisierung 1

12 4. Kommunikationssysteme 4.2 ISO/OSI Referenzmodell erfolgreicher Datentransfer erfordert verbindliche Vereinbarungen wie der Datenaustausch zu erfolgen hat 1983 wurde von der ISO (International Standards Organization) die Norm 7498 verabschiedet Referenzmodell, das die Kommunikation von Rechnersystemen regelt dieser Standard beschreibt das OSI-Referenzmodell (Open Systems Interconnection) Modell beinhaltet sieben abstrakte Kommunikationsschichten mit genau definierten Funktionalitäten Jeder Rechner im Netz bildet diese Schichten (oder nur ein Teil) in seinem Interface ab einzelne Schichten kommunizieren miteinander unabhängig über definierte Schnittstellen, an denen Dienste bereitgestellt werden, die von den Nachbarschichten genutzt werden Unterteilung in 4 Übertragungs- und drei Anwendungsschichten

13 4. Kommunikationssysteme

14 Funktion der einzelnen Schichten: 4. Kommunikationssysteme

15 Ablauf einer Kommunikation: 4. Kommunikationssysteme Favre-Bulle: Automatisierung komplexer Industrieprozesse

16 4. Kommunikationssysteme 4.3 Buszugriffsverfahren Senden von Teilnehmern auf den Bus muss explizit geregelt werden zu jedem Zeitpunkt darf nur ein Teilnehmer Daten senden Steuerungsmaßnahmen zur Koordination sind notwendig Buszugriffsverfahren Unterteilung in Verfahren mit deterministischem Zugriff und zufälligem Zugriff Buszugriffsverfahren ist im ISO/OSI Modell in Schicht 2 (Teilschicht MAC) definiert Deterministische Zugriffsverfahren es existiert ein festgelegtes Verfahren, mit dem ein bestimmter Teilnehmer zu einer bestimmten Zeit die Sendeberechtigung erhält. Das Antwortzeitverhalten ist somit vorhersagbar, was eine Grundvoraussetzung für den Einsatz eines Feldbusses unter Echtzeitbedingungen darstellt. a) Master-Slave-Verfahren ein Master wählt den jeweils aktuellen Kommunikationspartner ( Slave ) explizit aus Master fragt alle Slaves zyklisch ab ( Polling ) Nachteil: wenn Master defekt, fällt das gesamte Bussystem aus

17 b) Token-Passing-Verfahren 4. Kommunikationssysteme Senderecht wird an die Busteilnehmer in Form eines Tokens (logisches Zustandsflag, im Gesamtsystem kann nur ein Token existieren) zyklisch weitergereicht wer den Token hat, kontrolliert die Buszuteilung, aber muss den Token nach einer festgelegten Zeitdauer an den nächsten Teilnehmer weiterreichen dadurch Gewährleistung einer endlichen Tokenumlaufzeit zwei Arten des Token-Passing-Verfahrens: Token-Bus : Linientopologie mit logischer Folge von Teilnehmern; Weitergabe des Tokens erfolgt in der Reihenfolge der Busadressen; jeder Teilnehmer kennt seinen Vorgänger und Nachfolge rund überwacht, ob der Nachfolger den Token korrekt übernommen hat; in IEEE spezifiziert Token Ring : Ringtopologie; Reihenfolge des Senderechts entspricht der Reihenfolge der Teilnehmer am Ring; in IEEE spezifiziert Vorteile: gutes vorhersagbares Echtzeitverhalten und gute Hochlasttauglichkeit Nachteil: lange Verzögerungszeiten in Fehlerfällen möglich in Kombination mit Master-Slave Verfahren als sog. hybrides Token-Passing Verfahren realisierbar

18 4. Kommunikationssysteme c) TDMA-Verfahren (Time Division Multiple Access) jeder Teilnehmer bekommt innerhalb einer Periode (TDMA-Zyklus) einen oder mehrere Zeitschlitze bestimmter Länge zugeteilt einfache Realisierungsvariante in Form eines verteilten Schieberegisters (INTERBUS-S) jeder Teilnehmer besitzt ein Register mit m Bit alle Teilnehmer bilden zusammen ein Schieberegister mit m*n Bit Master hat ebenfalls ein Schieberegister mit m*n Bit beim Start wird die zu übertragende Info parallel in die Register übernommen danach Schiebevorgang mit n*m Takten dann steht die Info an den Registern der Teilnehmer und des Masters zur Verfügung Realisierung von kurzen und konstanten Zykluszeiten möglich, aber durch die starre Kopplung der Schiebevorgänge für alle Stationen wenig flexibel Zufällige Zugriffsverfahren es existiert kein festes Schema für den Zugriff; Teilnehmer scannen den Bus und belegen ihn mit einer Nachricht falls er frei ist ereignisgesteuerte Kommunikation mit dem Vorteil einer kleineren Busbelastung und dem Nachteil eines nicht vorhersagbarem Antwortverhaltens

19 4. Kommunikationssysteme a) CSMA-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access) sendewilliger Teilnehmer hört de Bus ab ( Carrier Sense ) und sendet wenn dieser nicht belegt ist; wenn belegt, dann versucht es der Teilnehmer nach einer gewissen Verzögerungszeit erneut ( Multiple Access ) Problem wenn (z.b. aufgrund von Signalausbreitungszeiten) mehrere Teilnehmer feststellen, dass der Bus frei ist und daraufhin senden Kollisionen welche vermieden werden müssen (siehe b) und c)) b) CSMA/CD-Verfahren (Collision Detection) Detektion einer Kollision erfolgt durch die Teilnehmer selbst (hören den Bus nach erfolgter Sendung ab und vergleichen die gesendeten Daten mit den abgehörten Daten) wenn eine Kollision erkannt wurde, versuchen die Teilnehmer nach unterschiedlichen Zeiten erneut die Nachricht zu senden Anwendung z.b. bei ETHERNET-Bus sehr gute zeitliche Eigenschaften im Niederlastbereich (kurze Latenzzeiten), aber im Hochlastbereich unter Umständen lange Wartezeiten für den Buszugriff daher nur bedingt echtzeittauglich

20 4. Kommunikationssysteme c) CSMA/CA-Verfahren (Collision Avoidance) sendewilliger Teilnehmer hört de Bus ab und sendet wenn dieser nicht belegt ist sollten zwei Teilnehmer gleichzeitig senden (Überwachung erfolgt durch Teilnehmer) entscheiden Prioritätsregeln wer von beiden senden darf mögliche Regeln sind Adress-Arbitrierung (es setzt sich der Teilnehmer mit der höchsten oder niedrigsten Netwerkadresse durch Anwendung z.b. bei CAN-Bus) und Zeitspanne-Zuordnung (jedem Teilnehmer wird nach Ende einer Sendung eine Zeitspane zugeordnet, nach welcher er wieder senden darf) 4.4 Übertragungsmedien es kommen asymmetrische und symmetrische Leitungspaare, Koaxialkabel, Lichtwellenleiter und drahtlose Übertragungsmedien in der Praxis zum Einsatz Bsp: symmetrische Leitungspaare

21 4.5 Feldbusse 4. Kommunikationssysteme generelle Anforderungen: zuverlässige Funktion unter Industriebedingungen (Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, etc.) Einhaltung der Leistungsparameter (Geschwindigkeit, Fehlertoleranz, Anzahl der Teilnehmer) Adaptionsfähigkeit (Tausch von Sensoren und Aktoren, Erweiterung des Netzes, etc.) standardisierte Schnittstellen, um Produkte verschiedener Hersteller einsetzen zu können ggf. Einsetzbarkeit in explosionsgefährdeten Bereichen Eigenschaften und Kennwerte: Übertragungsrate (einige kbit/s bis 12 MBIT/s) maximale Anzahl von Teilnehmern pro Bussegment (32 127) maximale räumliche Ausdehnung (50m 2000m) Determiniertheit der Zykluszeit (sehr wichtig in der Antriebstechnik) Anzahl der übertragbaren Nachrichtenpakete pro Sekunde

22 4.5 Feldbusse 4. Kommunikationssysteme Vorlesung Automation und Prozessrechentechnik / Prof. Ackermann; TUHH