Wirtschaftsingenieurwesen Fach. Studiengang. Automatisierungstechnik Art der Leistung Prüfungsleistung Klausur-Knz. WI-AUT-P Datum

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1 Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen Fach Automatisierungstechnik Art der Leistung Prüfungsleistung Klausur-Knz. WI-AUT-P 003 Datum Bezüglich der Anfertigung Ihrer Arbeit sind folgende Hinweise verbindlich: Verwenden Sie ausschließlich das vom Aufsichtsführenden zur Verfügung gestellte Paier, und geben Sie sämtliches Paier (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 /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. 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. Hilfsmittel: Bearbeitungszeit: 90 Minuten Für die Aufgaben bis 6: keine Anzahl Aufgaben: Höchstunktzahl: Vorläufiges Bewertungsschema: Für die Aufgaben 7 bis 0: Studienbriefe,Taschenrechner, Formelsammlung eigener Wahl Viel Erfolg! Punktzahl von bis einschl. Note 95 00,0 sehr gut 90 9,5,3 sehr gut 85 89,5,7 gut 80 8,5,0 gut 75 79,5,3 gut 70 7,5,7 befriedigend 65 69,5 3,0 befriedigend 60 6,5 3,3 befriedigend 55 59,5 3,7 ausreichend 50 5,5,0 ausreichend 0 9,5 5,0 nicht ausreichend Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen WI-AUT-P 003

2 Arbeitsblatt, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen. Teil der Klausur ohne Hilfsmittel Aufgabe insg. 6 Punkte. Erläutern Sie, was rozessferne Verarbeitungsfunktionen sind. Pkte. Nennen Sie zwei rozessferne Verarbeitungsfunktionen der Automatisierungstechnik. Pkte Aufgabe insg. 8 Punkte. Erläutern Sie die Begriffe Signal und Signalträger. Pkte. Nennen Sie die Kombinationen von Signalarten. Pkte Aufgabe 3 insg. 8 Punkte 3. Berechnen Sie im Dualsystem das Produkt der Dezimalzahlen 0 0 und Pkte 3. Stellen Sie das Ergebnis aus Aufgabe 3. als BCD-Zahl dar. 3 Pkte Aufgabe insg. 6 Punkte Für einen Prozessrechner in Echtzeitbetrieb sind folgende Zeiten bekannt: Die Meldezeit eines Prozesses beträgt 0 µs. Der Prozessrechner reagiert auf ein Prozessereignis mit einer Zeitverzögerung von µs. Er braucht für die Erfassung des Prozessereignisses 8 µs. Nach Ende der Erfassung benötigt der Prozessrechner 8 µs Verzögerung bis zur Abarbeitung des zugehörigen Programm. Dieses Programm benötigt µs. Der Prozessrechner beginnt aufgrund des Programms mit der Ausgabe der Stellgrößen 6 µs nach Start der Bearbeitung. Die Stellgrößen sind 6 µs nach Ende der Bearbeitungszeit vollständig ausgegeben. Wann darf das nächste Prozessereignis eintreten, damit die Echtzeitbedingungen noch erfüllt sind? WI-AUT-P 003 Seite /

3 Arbeitsblatt, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen Aufgabe 5 insg. 6 Punkte Das Prinzi der Regelung einer Damfmaschine (siehe nachfolgende Abbildung) kann wie folgt beschrieben werden: Mittels der Riemenkolung wird die Drehzahl der Damfmaschine gemessen. Steigt die Drehzahl, so streben die Kugeln des Kreisels nach außen. Dies führt über den Hebelarm zum Schließen des Damfventils und damit zur Abnahme der zugeführten Damfenergie. Als Folge sinkt die Drehzahl, die Kugeln des Kreises senken sich und das Ventil öffnet wieder Somit regelt sich die Damfmaschine, abhängig von den Eigenschaften des Kreisels (u.a. dem ewicht der Kugeln), auf eine bestimmte Drehzahl ein. Markieren und benennen Sie in der Abbildung 3 Elemente eines Regelkreises. Hinweis: Benutzen Sie zur Lösung dieser Aufgabe das Ihnen zur Verfügung gestellte Arbeitsblatt. Aufgabe 6 insg. 8 Punkte 6. Nennen Sie 3 Beisiele für mehrschleifige Regelkreise. 3 Pkte 6. Was wird unter einer Störgrößenaufschaltung verstanden und welchem Zweck dient sie? 5 Pkte WI-AUT-P 003 Seite /

4 Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen. Teil der Klausur mit Hilfsmitteln Aufgabe 7 insg. 8 Punkte Das nachfolgende Strukturbild stellt einen geschlossenen Regelkreis dar. z ( t ) w( t ) + e ( t ) ( ) ( ) R S x ( t ) ( ) M 7. Wofür steht R, S und ( )? 3 Pkte 7. eben Sie die Störübertragungsfunktion z des Regelkreises an. M 5 Pkte 7.3 Wenn R, S und M betragen, wie groß wird dann bei einer Störung die Regeldifferenz im Beharrungszustand? 0 Pkte Aufgabe 8 insg. Punkte K Die Übertragungsfunktion eines Regelkreisgliedes lautet ( j) jt j DT. 8. Welches Verhalten hat dieses Regelkreisglied? Pkte 8. Zeichnen Sie für dieses Verhalten das Bode-Diagramm (Amlituden- und Phasengang) für 0 Pkte T 0,005 s D 0, 7 und 0 Hinweis: Benutzen Sie zur Lösung dieser Aufgabe die Abb. auf dem Ihnen zur Verfügung gestellten Arbeitsblatt. WI-AUT-P 003 Seite /

5 Klausuraufgaben, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen Aufgabe 9 insg. Punkte In einer Flaschenfüllanlage sollen ein Fehlfüllstandsmessgerät (F) und ein Verunreinigungsmessgerät (V) so an eine Verteilweiche (W) angeschlossen werden, dass bei Fehlern die Flaschen auf entsrechende Bänder umgeleitet werden. Die beiden Sensoren sind so an der Anlage angebracht, dass ihre Signale zeitgleich anliegen. Bei Unter- bzw. Überfüllung der Flasche (Fehlfüllung, F ) soll diese auf das entsrechende Band für Fehlfüllungen umgeleitet werden. Ist die Flasche verunreinigt ( V ), so soll sie auf das entsrechende Band für Verunreinigungen umgeleitet werden. Bei Fehlfüllung und Verunreinigung soll die Flasche auf ein weiteres Band umgeleitet werden. Ist die Flasche in Ordnung, so soll sie auf dem normalen Weg weitergeleitet werden (Weiche in Ruhe). Die Bewegung der Weiche wird durch Ansteuerung mittels eines dualkodierten Wortes erreicht, dabei entsricht 00 dem Ruhezustand, 0 dem Band für Fehlfüllung, 0 dem Band für Verschmutzung und dem Band für Falschfüllung und Verschmutzung. Die Dauer, die das entsrechende Signal an der Weiche anliegen muss, beträgt ms. 9. Stellen Sie die Wahrheitstabelle für die Ansteuerung der Weiche auf (die Zeitdauer soll unberücksichtigt 6 Pkte bleiben). 9. Welcher Bausteinty garantiert die Einhaltung der Zeitdauer, die das Signal an der Weiche Pkte anliegen muss. Skizzieren Sie eine Lösung mit diesem Bausteinty. 9.3 Die Einstellung der Zeit, die das Signal an der Weiche anliegen muss, kann z.b. durch das Entladen eines Kondensators C über einen Widerstand R bestimmt werden. Wie groß muss bei der gegebenen Zeit von ms die Kaazität des Kondensators sein, wenn der Widerstand kω beträgt. Pkte Aufgabe 0 insg. 6 Punkte Auf dem Ihnen zur Verfügung gestellten Arbeitsblatt ist unter Abb. die Srungantwort einer Regelstrecke gegeben. 0. Ermitteln Sie mit Hilfe des Wendentangenten-Verfahrens die Kenngrößen der Regelstrecke. 8 Pkte Hinweis: Benutzen Sie zur Lösung dieser Aufgabe die Abbildung auf dem Ihnen zur Verfügung gestellten Arbeitsblatt 0. Die Regelstrecke soll mit einem PI-Regler geregelt werden. Der Regler soll ein möglichst gutes Führungsverhalten ohne Überschwingungen aufweisen. Bestimmen Sie die Kenngröße des PI-Reglers. 0.3 Schätzen Sie ein, ob die Regelbarkeit der unter Teilaufgabe 0. analysierten Strecke gewährleistet ist. 6 Pkte Pkte WI-AUT-P 003 Seite /

6 Arbeitsblatt, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen Name, Vorname. Teil der Klausur ohne Hilfsmitteln Dieses Aufgabenblatt ist zugleich Ihr Arbeitsblatt. Tragen Sie bitte oben Ihren Namen und in die Abbildung Ihre Lösung ein, und geben Sie dieses Blatt in jedem Fall zusammen mit Ihren übrigen Arbeitsbögen ab. Lösung Aufgabe 5: WI-AUT-P 003 Seite /

7 Arbeitsblatt, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieuwesen Name, Vorname. Teil der Klausur mit Hilfsmitteln Dieses Aufgabenblatt ist zugleich Ihr Arbeitsblatt. Tragen Sie bitte oben Ihren Namen und in die Abbildung Ihre Lösung ein, und geben Sie dieses Blatt in jedem Fall zusammen mit Ihren übrigen Arbeitsbögen ab. Abb. (Aufgabe 8) A WI-AUT-P-003 Seite /

8 Arbeitsblatt, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieuwesen Name, Vorname Dieses Aufgabenblatt ist zugleich Ihr Arbeitsblatt. Tragen Sie bitte oben Ihren Namen und in die Abbildung Ihre Lösung ein, und geben Sie dieses Blatt in jedem Fall zusammen mit Ihren übrigen Arbeitsbögen ab. Abb. (Aufgabe 0), x(t) 0,8 0,6 0, 0, t in s WI-AUT-P-003 Seite /

9 Korrekturrichtlinie zur Prüfungsleistung Automatisierungstechnik am Wirtschaftsingenieurwesen WI-AUT-P 003 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. emäß der Dilomrüfungsordnung ist Ihrer Bewertung folgendes Bewertungsschema zugrunde zu legen: Punktzahl Note von bis einschl ,0 sehr gut 90 9,5,3 sehr gut 85 89,5,7 gut 80 8,5,0 gut 75 79,5,3 gut 70 7,5,7 befriedigend 65 69,5 3,0 befriedigend 60 6,5 3,3 befriedigend 55 59,5 3,7 ausreichend 50 5,5,0 ausreichend 0 9,5 5,0 nicht ausreichend Die korrigierten Arbeiten reichen Sie bitte sätestens bis zum 8. Februar 003 in Ihrem Studienzentrum ein. Dies muss ersönlich oder er Einschreiben erfolgen. Der angegebene Termin ist unbedingt einzuhalten. Sollte sich aus vorher nicht absehbaren ründen ein Terminüberschreitung abzeichnen, so bitten wir Sie, dies unverzüglich Ihrem Studienzentrenleiter anzuzeigen. Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen WI-AUT-P 003

10 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen Bitte beachten Sie: Die jeweils im Lösungstext angeführten Punkte ( ) geben an, für welche Antwort die einzelnen Teilunkte für die Aufgabe zu vergeben sind. Lösung vgl. SB, Ka..3. insg. 6 Punkte. Prozessferne Verarbeitungsfunktionen laufen in einem langsameren Wirkungskreis ab () und sind in der Regel rozessnahen Verarbeitungsfunktionen vorgelagert (). Sie bilden die Schnittstellen zur betrieblichen Prozessführung () bzw. enthalten wesentliche Elemente dieses Prozesses (). ( Pkte). Otimieren, Koordinieren, Auswerten (je Pkt, max. Pkte) Lösung vgl. SB, Ka... und.. insg. 8 Punkte. Signal ist die Bezeichnung für den zeitlichen Verlauf () des hysikalischen Abbildes einer Information (). Signalträger ist das hysikalische Medium (), welches das Signal verwirklicht (trägt) ().. Analog-Kontinuierlich (), Analog-Diskontinuierlich (), Digital-Kontinuierlich (), Digital-Diskontinuierlich () ( Pkte) ( Pkte) Lösung 3 vgl. SB, Ka...3 und.. insg. 8 Punkte () () Zurückführung der dualen Multilikation wie im Dezimalsystem auf die Addition: (3) 3. BCD-Kode: Darstellung jeder Dezimalziffer als Dualzahl in Bits () BCD () (5 Pkte) (3 Pkte) WI-AUT-P 003 Seite /6

11 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen Lösung vgl. SB, Ka.. insg. 6 Punkte Erfassungszeit: T e µs 8 µs (Verzögerung + Erfassung) (); Te Tm (Echtzeitbedingung erfüllt) Reaktionszeit: T T 8 µs (Verzögerung nach der Erfassung) () r e Bearbeitungszeit: T b µs (Bearbeitungszeit des Programms) () Stellzeit: T s endet 6 µs nach der Bearbeitungszeit T b () (5 Pkte) Die zulässige Antwortzeit T az (Zeit innerhalb der, vom Eintritt Prozessereignis gerechnet, das Stellsignal ausgegeben sein muss) beträgt: T az Tr Tb 6 µs µs 8 µs 8 µs µs 6 µs 35 µs () Das nächste Prozessereignis darf frühestens nach 35 µs eintreten. ( Pkt) Lösung 5 vgl. SB 3, Ka... insg. 6 Punkte (je Pkte, max. 6 Pkte) Ventil = Stellglied Regelstrecke Messglied Damf = Stellgröße Die zu benennenden Elemente des Regelkreises sind Regelstrecke, Messglied, Regler und Stellglied. Die Stellgöße Damf muss nicht genannt werden. WI-AUT-P 003 Seite /6

12 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen WI-AUT-P 003 Seite 3/6 Lösung 6 vgl. SB, Ka.. insg. 8 Punkte 6. Störgrößenaufschaltung, Hilfsgrößenaufschaltung, Kaskadenregelung, überlagerte Regelkreise (je Pkt, max. 3 Pkte) 6. Unter Störgrößenaufschaltung bei einem Regelkreis wird verstanden, dass eine Störgröße, die mit vertretbarem Aufwand direkt messbar ist () und als zusätzliche Steuergröße genutzt werden kann (), zusätzlich bei der Regelung hinzugenommen (aufgeschaltet) wird (). Dieses bewirkt, dass das Störverhalten des Regelkreises sich verbessert (). (5 Pkte) Lösung 7 vgl. SB, Ka. 3., 3.3 und Beisiel 3.6 insg. 8 Punkte 7. R steht für Regler, ) ( S steht für Regelstrecke, und M steht für Messglied. (3 Pkte) 7. Die Übertragungsfunktion des offenen Regelkreises ist M S R 0 (vgl. auch SB, l. (3.5)). Die Störübertragungsfunktion z ergibt sich nach l. (3.3) zu: 0 0 M R z t z t x. ( Pkte) (3 Pkte) 7.3 Mit den angegebenen Werten ergibt sich für 0 : ) ( ) ( 8 0. Somit ist ) ( ) ( z Wenn 0, wird 0 z. Daraus folgt, dass bei einer Störung die Regeldifferenz im stationären Zustand ausgeregelt und damit zu 0 wird. ( Pkte) (6 Pkte) ( Pkte)

13 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen Lösung 8 vgl. SB 5, Ka... und insg. Punkte 8. Der Regler hat PT-Verhalten (vgl. l. (.3) aus SB 5. ( Pkte) 8. Die Eckkreisfrequenz E berechnet sich nach: E 00 s 0 s. T 0,005 s Im niedrigen Frequenzbereich ( gegen Null) gilt für den Amlitudengang A 0 0 lg (vgl. SB 5, S.7). Mit K 0 folgt damit A 6 db. K Nach der Eckkreisfrequenz fällt der Amlitudengang in einer Dekade um 0 db. In der Eckkreisfrequenz liegt eine Phasenverschiebung von bei 0 s ) ist die Phasenverschiebung Null, bei 90 vor, bis 0, E (hier 0 E ist die Phasenverschiebung 80. (je 5 Pkte für Amlitudenund Phasengang) A 6 db E 00 s WI-AUT-P 003 Seite /6

14 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen Lösung 9 vgl. SB, Ka..7. insg. Punkte 9. Wahrheitstabelle: Sensoren Weiche F V W (je,5 Pkt, max. 6 Pkte) 9. Monostabiles Kiglied (Monoflo) ( Pkte) Lösungsskizze: Es werden monostabile Kiglieder benötigt. ( Pkte) 9.3 Mit l. (.6) folgt 3 T ms 0 s 6 T R C C 0 F µf. R kω 3 0 Ω ( Pkte) Lösung 0 vgl. SB 5, Ka.. und SB, Ka... insg. 6 Punkte 0. Wendentangenten-Verfahren: rafische Lösung siehe nächste Seite Nach Anlegen der Wendetangente lassen sich folgende Kenngrößen ablesen: T 0, s (), T,7 s () und K (). (3 Pkte) u g S 0. Mit den l. (.7) der Tabelle. aus SB 5 erhält man für den PI-Regler: K R 0,3 Tg KS Tu () und TN, Tg (). Einsetzen der Werte liefert 0,3,7 s K R 3,995 () und T N,,7 s 5,6 s (). 0, s (3 Pkte) (3 Pkte) WI-AUT-P 003 Seite 5/6

15 Korrekturrichtlinie, Prüfungsleistung 0/0, Automatisierungstechnik, Wirtschaftsingenieurwesen 0.3 Tu 0, s Mit 0, 085 T,7 s g ist nach Tabelle. aus SB die Regelstrecke gut regelbar. ( Pkte) rafische Lösung: (die grafische Lösung ist mit 5 Punkten zu bewerten) (5 Pkte) x(t), Srungantwort (Endwert x ) 0,8 0,6 0, 0, T u T g t in s WI-AUT-P 003 Seite 6/6