Automatisierungstechnik

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1 Helmut Reinhardt 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Automatisierungstechnik Theoretische und gerätetechnische Grundlagen, SPS Mit 161 Abbildungen Springer

2 Teil 1 Automatisierungstechnik - eine grundlegende Ingenieurwissenschaft 1 1 Einleitung Einordnung der Automatisierungstechnik Ziele und Entwicklungstrends der Automatisierungstechnik Prozeßautomatisierung und Betriebsgewinn Zielstellungen der Prozeßautomatisierung Automatisierungstechnik und Industriegesellschaft Automatisierungstechnik und Informatik Materie-, Energie- und Informationsstrom Software in der Automatisierungstechnik Computer Aided Engineering (CAE) Anwendung der Automatisierungstechnik Hauptfunktionen der Automatisierungstechnik Prozeßüberwachung Prozeßsicherung Prozeßstabilisierung Prozeßführung Prozeßoptimierung Anwendungsbereiche der Automatisierungstechnik Automatisierung technischer Prozesse Nichttechnische Anwendungen der Automatisierungstechnik. 19 Teil 2 Theoretische Grundlagen der Automatisierungstechnik 21 2 Grundlagen der Regelungs- und Steuerungstechnik Einführung Funktionelle Betrachtungsweise Begriffe der Regelungs- und Steuerungstechnik System 26

3 VIII Inhaltsverzeichnis Größe Prozeß und Modell Wirkungsplan Regelung Steuerung Informationen und Signale Information Signal Signaleinteilung Graphische Symbole und Kennbuchstaben Symbole Kennbuchstaben Mathematische Beschreibung stetig wirkender Systeme Statische Beschreibung Linearisierung der Kennlinie Typische Nichtlinearitäten Dynamische Beschreibung linearer zeitinvarianter Systeme Lineare Übertragungsglieder Testsignale Sprungantwort und Übergangsfunktion Frequenzgang und Ortskurve Differentialgleichung Übertragungsfunktion Zusammenhänge zwischen den Beschreibungsformen Weitere Beschreibungsformen Übersicht der linearen Grundglieder P-Glied I-Glied D-Glied T t -Glied T r Glied T 2 -Glied Grundstrukturen des Wirkungsplanes Reihenstruktur Parallelstruktur Kreisstruktur 59 3 Regelungstechnik Elemente des Regelkreises Struktur und Größen des Regelkreises Struktur des Eingrößen-Regelkreises Erläuterung der Größen des Regelkreises Stell- und Störverhalten der Strecke Regelstrecken mit Ausgleich (P-Strecken) Strecke mit Ausgleich 0. Ordnung, P-T 0 -Strecke 66

4 Strecke mit Ausgleich 1. Ordnung, P-T r Strecke Strecke mit Ausgleich 2. und höherer Ordnung, P-T n -Strecke Strecke mit Totzeit, T t -Strecke Strecke mit Ausgleich i-ter Ordnung und Totzeit, P-T r T t -Strecke Regelstrecken ohne Ausgleich (I-Strecken) Strecke ohne Ausgleich 0. Ordnung, I-T 0 -Strecke Strecke ohne Ausgleich 1. Ordnung, I-T r Strecke Strecke ohne Ausgleich i-ter Ordnung und Totzeit, I-T r T t -Strecke Grundanteile und Arten linearer Regler P-Anteil, P-Regler I-Anteil, I-Regler D-Anteil PI-Regler PD-Regler PID-Regler Technische Ausführung und Benennung der Regler Konventionelle Ausführung Rechnergestützte Ausführung Weitere Regelalgorithmen Benennung und Einteilung der Regler Linearer Regelkreis Übertragungsfunktionen Angriffsort der Störgröße Führungs- und Störungsverhalten des Regelkreises Arten der Regelung Beanspruchungsarten des Regelkreises Einschwingverhalten Stabilität des Regelsystems Charakterisierung des Stabilitätsproblems Lösung der charakteristischen Gleichung Stabilitätskriterien Typische Strecke-Regler-Kombinationen Komplexer und reeller Regelfaktor P-Regler an P-Strecke P-Regler an I-Strecke I-Regler an P-Strecke Zusammenfassung Einstellung und Optimierung von Regelkreisen Güte der Regelung Frequenzkennlinienverfahren Wurzelortsverfahren Parameteroptimierung mittels Integralkriterien Betragsoptimierung Verwendung von Einstellregeln Nutzung des rechnergestützten Entwurfs 112

5 3.3 Ausgewählte Formen von Eingrößen-Regelkreisen Mehrschleifiger Regelkreis Zielstellung Regelkreis mit Störgrößenaufschaltung Kaskadenregelung Regelkreis mit Zweipunktregler Anwendung Arbeitsbewegung Adaptiver Regelkreis Zielsetzung Self-Tuning-Verfahren Modell-Referenz-Verfahren Regelung und Steuerung von Mehrgrößensystemen Mehrgrößensysteme Einführende Beispiele Definition Getastete Regelkreise Mathematische Beschreibung quasikontinuierlicher Mehrgrößensysteme Arten der Leittechnik für Mehrgrößensysteme Regelung von Mehrgrößensystemen (Rückführungsprinzip) Steuerung von Mehrgrößensystemen (modellbasierte Vorwärtssteuerung) Kombinierte Regelung und Steuerung von Mehrgrößensystemen Eigenschaften von Mehrgrößenregelungssystemen Stabilität Autonomie Zusammenhänge zwischen Stabilität, Invarianz, Autonomie und Regelgüte Experimentelle Prozeßanalyse Grundlagen Zielstellung Modellbegriff und -abgrenzung Begriffe und Definitionen Prozeß und Prozeßvariable Einteilung und Entwicklung mathematischer Modelle Einteilung mathematischer Modelle Eigenschaften eines mathematischen Modells Praktische Modellentwicklung Signalanalyse und theoretische Prozeßanalyse Signalanalyse Theoretische Prozeßmodellierung 155

6 4.2 Deterministische Identifikation linearisierter kontinuierlicher Systeme Einführung Arbeitsprinzip Steuer- und Beobachtbarkeit Modellkomponenten Modellbestimmmung aus der Übergangsfunktion Strukturerkennung Voraussetzungen Zielstellung zur Bestimmung der Übertragungsglieder Sjj(s) Ablauf der Modellbestimmung Beispiele Modellbestimmung aus der Frequenzgangdarstellung Meßverfahren zur Aufnahme der Ortskurve Auswertung der Ortskurve Beispiele Statistische Identifikation von Systemen Einführung Informationsgewinnung aus stochastischen Signalen Stufen der experimentellen Modellbildung Aufgabenstellung der Modellschätzung Klassifikationsgesichtspunkte Beschreibung abgetasteter kontinuierlicher Signale Direkte Schätzverfahren für nichtparametrische Modelle Nichtparametrische dynamische Modelle Übersicht Mathematische Grundlagen der Parameterschätzverfahren Methode der kleinsten Quadrate (Regression) Differenzengleichung eines ungestörten getasteten Systems Gleichungen des gestörten Systems Bildung des Fehlersignals Übersicht der Parameterschätzverfahren Einteilung der Parameterschätzverfahren Festlegung der Modellordnung Direkte Methode der Regression Rekursive Methode der Regression Weitere Parameterschätzverfahren Offene Probleme Rechnergestützte Parameterschätzung Steuerungstechnik Grundlagen der Steuerungstechnik Arten von Steuerungen Grundbegriffe Einteilung digitaler und binärer Steuerungen 197

7 dl Inhaltsverzeichnis Arten von Steuerungssignalen Schaltzeichen binärer Systeme Auswahl graphischer Symbole aus DIN (Teil 7) Auswahl graphischer Symbole aus DIN (Teil 12) Logische Verknüpfungen Logische Grundfunktionen, Erweiterte logische Verknüpfungen Grundzüge der Schaltalgebra Mathematische Symbole Übersicht Bindungsstärke der Symbole Rechengesetze Kommutatives Gesetz (Vertauschungsgesetz) Assoziatives Gesetz (Verbindungsgesetz) Distributives Gesetz (Verteilungsgesetz) Inversionsgesetz (Umkehrungsgesetz) Normalformen logischer Funktionen Definition Vollständige disjunktive Normalform Vollständige konjunktive Normalform Verwendung der Normalformen Rechenregeln Postulate der Schaltalgebra Ausgewählte Rechenregeln der Schaltalgebra Schaltungsvereinfachung und Kürzungsverfahren Rechnerische Schaltungsvereinfachung Kürzung mit dem KARNAUGH-VEiTCH-Diagramm Ausgewählte Teilprobleme der Steuerungstechnik Vergleichende Darstellung der Beschreibungsmöglichkeiten Realisierung elektronischer Logikelemente Schaltungssynthese mit NAND- und NOR-Gattern Schaltwerke Merkmale Vermeiden von Fehlschaltungen (Hazards) 235 Teil 3 Technik rechnergestützter Automatisierungsgeräte Gerätetechnische Grundlagen der Prozeßdatenverarbeitung Einführung Geschichtlicher Abriß zur Entwicklung der Prozeßrechentechnik Rechenfunktionen in der Automatisierungstechnik Entwicklung der Prozeßrechentechnik 241

8 XIII Rechnergestützte Automatisierungsgeräte Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Industrie-Personal-Computer (IPC) Prozeßleitsysteme (PLS) Gegenüberstellung und Anwendungsbereiche Gerätenetze Automatisierungsstrukturen Lokale Netze ISO/OSI-Referenzmodell Standardisierung bei Kommunikationssystemen Technik und Wirkungsweise von PDV-Geräten Leistungsmerkmale von PDV-Geräten Gegenüberstellung rechnergestützter und konventioneller PDV-Geräte Merkmale der Prozeßrechentechnik Aufbau und Arbeitsweise der Zentraleinheit Arbeitsprinzip des Einadreßrechners Zentrale Verarbeitungseinheit Bestandteile der Zentraleinheit für den Realtime-Betrieb Mikroprozessortechnik Prozeßdatenein- und -ausgäbe Analogwerteingabe Digitalwert- und Impulseingabe Prozeßdatenausgabe Prozeßleittechnik Grundlagen Prozeßvisualisierung Strukturieren von PLS-Geräten Programmtechnische Grundlagen der Prozeßdatenverarbeitung Realtime-Betriebssysteme und Prozeßprogrammiersprachen Darstellung digitaler Daten Übersicht gebräuchlicher Zahlenformate Umrechnung der Zahlenformate Softwarequalität Konsequenzen der Funktionsprogrammierung Softwarezuverlässigkeit Realtime-Betriebssysteme Merkmale Taskkonzept Aufbau Prozeßprogrammiersprachen Assemblersprachen 280

9 XIV Inhaltsverzeichnis Fachsprachen und spezielle Programmiersysteme Realtime-Hochsprachen Methodische Grundlagen der Anwenderprogrammentwicklung Software Engineering Einführung Stufen der Software-Entwicklung Etappe des geistig-kreativen Entwurfes Problemanalyse, Anforderungsdefinition Strukurentwurf Algorithmenentwurf Programmcodierung Etappe der rechnergestützt-formalen Realisierung Editieren, Übersetzen, Laden/Binden Offline-Programmtest Online/Realtime-Systemtest Dokumentation der Software-Entwicklung Speicherprogrammierbare Steuerungen Geräte- und Programmtechnik Gerätetechnik einer SPS Modularitätsprinzip Hinweise zum Baugruppen-Stecken CPU-Baugruppen Eingabe- und Ausgabebaugruppen Weitere SPS-Baugruppen Schnittstellen Programmtechnik einer SPS Zusammenstellung der Software-Bausteine Permanenter zyklischer Betrieb einer SPS Zykluszeit und Reaktionszeit Ergänzende Betriebsarten einer SPS Programmdarstellungsarten Normgerechte Programmierung nach IEC / Kontaktplan, Funktionsplan und Anweisungsliste Unterstützungsfunktionen des Programmiergerätes Übersicht zum Softwarepaket STEP Eingabe, Ausgabe und Korrektur von Anwenderprogrammen Unterstützung des Programmtests und der Fehlersuche Beschreibung der programmierbaren Funktionen Bausteinbezogene Funktionen Aufruf und Beendigung von Bausteinen Aktivierung von Datenbausteinen Binäre Verknüpfungs- und Speicherfunktionen Programmanweisung und Verknüpfungsergebnis 326

10 Übersicht der Operandenbereiche UND-, ODER- und NICHT-Verknüpfungen Berücksichtigung der Geber Setzen und Rücksetzen Flankenerkennung Zeit- und Zählfunktionen Starten, Rücksetzen und Abfragen einer Zeitfunktion Übersicht der verfügbaren Zeitfunktionen Setzen, Rücksetzen und Vor-/Rückwärtszählen einer Zählfunktion Mathematische Funktionen Allgemeine Hinweise Laden und Transferieren Vergleichsfunktionen Arithmetische Funktionen Digitalverknüpfungen und Umwandlungsoperationen Organisatorische Funktionen Sprungfunktionen Schiebefunktionen Bearbeitungsfunktionen Übersicht zu speziellen Gebieten der SPS-Technik Programmierung von Funktionsbausteinen mit Formaloperanden Analogwertverarbeitung und Regelung Alarm- und zeitgesteuerter Betrieb Prozeßvisualisierung und -bedienung Vernetzung mehrerer Geräte Erstellung und Anwendung von Fuzzy-Logic-Funktionsbausteinen Kopplung eines PC-basierten Expertensystems Operationsliste der SIMATIC S5-100U und S5-135U Erläuterungen Erläuterungen zur Operationsliste Erläuterung der Operanden-Kennzeichen und -Parameter Erläuterung der Formaloperanden-Deklaration Grundoperationen Binäre Verknüpfungs- und Speicheroperationen Lade- und Transferoperationen Zeit- und Zähloperationen Arithmetische Operationen Vergleichsoperationen Bausteinaufruf- und -rücksprung-operationen Null-, Stop- und Bildaufbau-Operationen Ergänzende Operationen Binäre und digitale Verknüpfungsoperationen 377

11 XVI Inhaltsverzeichnis Speicher- und Setzoperationen Zeit- und Zähloperationen Lade- und Transferoperationen Umwandlungsoperationen Schiebe- und Rotationsoperationen Sprungoperationen Sonstige Operationen Ausgewählte Systemoperationen Lade- und Transferoperationen Arithmetische Operationen Sonstige Operationen 387 Literaturverzeichnis 389 Sachverzeichnis 395