Lehr- und Übungsbuch Automatisierungsund Prozeßleittechnik

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1 Lehr- und Übungsbuch Automatisierungsund Prozeßleittechnik Eine Einführung für Ingenieure und Betriebswirtschaftler Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Bergmann Mit 242 Bildern, 22 Tabellen, 197 Übungsbeispielen, 76 Testaufgaben und Lösungen sowie einer CD-ROM ra Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Werdegang und Anliegen der Automatisierung Historische Entwicklung Automatisierungsziele Automatisierungsaufgaben Prozeßautomatisierungsstrukturen Systembegriff Prozeßleitsysteme Steuern und Regeln Testfragen und Übungen zum Kapitel Beschreibung von Automatisierungssystemen und -lösungen Grundlagen der Modellbildung Grafische Modelle Verfahrensfließbild R&I-Fließbild mit PLT-Stellen PLT-Stellenplan Zustandsgraph und Phasenmodell Mathematische Modelle Anwendungsbereich Beschreibung des Übertragungsverhaltens im Zeitbereich Zerlegen einer Systemeinheit in Übertragungsglieder Prinzipielle Vorgehensweise bei der mathematischen Beschreibung Entwicklung der statischen und dynamischen Kennlinie Übertragungsglieder mit P-Ti-Verhalten Übertragungsglieder mit Totzeit 67

3 8 Inhaltsverzeichnis Näherungsmodell für Systeme mit Ausgleich Übertragungsglieder mit I-Verhalten Vereinfachende Betrachtungen im Bildbereich Übertragungsfunktion Beurteilung des Eigenverhaltens und der Stabilität Bestimmen der Übergangsfunktion Näherungsmodelle für Regelstrecken Zusammenfassen von Teilsystemmodellen Betrachtungen im Frequenzbereich Frequenzgang Grafische Abbildung eines Frequenzganges Übungen zum Kapitel Informationsaufnahme und -Übertragung Einführung in die Meßtechnik Grundlagen der Signalbildung und-wandlung Kennlinien und Funktionen analoger Wandler Statisches Übertragungsverhalten Dynamisches Übertragungsverhalten Bereich und Abweichungen einer Meßgröße Bedeutung der Meßgenauigkeit Dynamische Fehler Zeitunabhängige Fehler Gewinnung und Kodierung von diskreten Signalen Analog-Digital-Wandlung Kodierung von diskreten Werten Ausgewählte Meßprinzipien und-methoden Temperaturmessung mit dem Widerstandsthermometer Druckmessung Durchflußmessung mit dem Wirkdruckverfahren Niveaumessung (Füllstand) Der Informationsfluß im Prozeßautomatisierungssystem 145

4 Inhaltsverzeichnis Aspekte der Informationsübertragung Kommunikationsanforderungen Basisstrukturen Konventionelle Informationsübertragung Analoge Einheitssignaltechnik Modifizierte konventionelle Übertragungsstrukturen Digitale Informationsübertragung mittels Bus Bus-Kategorien Parameter und Komponenten Ausgewählte Zugriffsverfahren und Protokolle Übungen zum Kapitel Strukturierung und Dimensionierung von Regelungen Einteilung von Regelungen Der einschleifige Regelkreis Struktur und Übertragungsverh. n1 ten Strukturkomponenten Gesamtübertragungsfunktionen Zusammenwirken von Regler und Regelstrecke Regleralgorithmen Statische Regelwirkung Regelgüte Statische Regelgüte Dynamische Regelgüte Stabilität Charakteristische Gleichung des Regelkreises Anwendung des Hurwitz-Kriteriums Stabilitätskriterium von Nyquist Bemessung der Reglerparameter Verfahren nach Ziegler und Nichols Verfahren nach Chien, Hrones und Reswick Frequenzgangverfahren 206

5 10 Inhaltsverzeichnis 4.3 Modifizierte Regelungsstrukturen Störgrößenaufschaltung Vermaschte Strukturen mit Hilfsregelgrößen Hilfsgrößenaufschaltung Kaskadenregelung Übungen zum Kapitel Entwurf von Steuerungen Grundlagen Einteilung von Steuerungen Einteilung nach der Funktionshierarchie und nach der Signalart Bezeichnung nach der Art der Programmverwirklichung Programmiersprachen für SPS Verbale Programmiersprachen Grafische Programmiersprachen Verknüpfungssteuerungen Verknüpfungssteuerungen ohne Speicherverhalten Definieren der PLT-Stellen und Steuerungsvariablen Aufstellen der Schaltbelegungstabelle und Ableiten der Schaltfunktionen Minimieren von Schaltfunktionen und Umsetzen in ein Programm Verknüpfungssteuerungen mit Speicherverhalten Realisierung und Verriegelung von Speichern Realisierung von Zeitverhalten und Zählvorgängen Ablaufsteuerungen Basisstrukturen einer Ablaufsteuerung Globalstruktur einer Prozeßsteuerung Übungen zum Kapitel Realisierung von Stelleingriffen in Stoffströme Einführung Bedeutung der Stelltechnik Definitionen 261

6 Inhaltsverzeichnis Grundlagen des Drosselstellverfahrens Wirkungsprinzip Druckverhältnisse im zu beeinflussenden Strömungssystem Allgemeine Berechnungsgrundlagen Strömungssystem ohne Hubventil Strömungssystem mit Hubventil Druckverlauf innerhalb des Hubventils Kenngrößen und Kennlinien von Hubventilen Kenngrößen Ventildurchflußkoeffizient für ideale Verhältnisse Ventildurchflußkoeffizient für reale Verhältnisse Kennlinien Inhärente Durchflußkennlinien Betriebsdurchflußkennlinie Auswahl von Hubventilen Dimensionierungsablauf Rechnergestützte Ventilbestimmung Übungen zum Kapitel Projektierung und Bewertung von Automatisierungssystemen Der Projektierungsprozeß Einführung Aufgaben und Organisation des Projektmanagements Strukturierung der Arbeitsaufgaben Organisationsformen Projektierungsphasen Gliederung und Einordnung des Projektierungsprozesses Projektphasen Vorplanung und Basisplanung I Projektphase Basisplanung II Projektphase Detailplanung Projektphase Realisierung Rechnergestützte Projektierung 306

7 12 Inhaltsverzeichnis Struktur eines CAE-Systems Datenverwaltung in einem integrierten CAE-System Projektbearbeitung mit dem CAE-System Bewertung der Projektierungsergebnisse Grundlagen 31 \ Bedienbarkeit Ausführbarkeit von Arbeitsaufgaben Kommunikationsbedingungen Sicherheit Definition Risikoanalyse Festlegen von Sicherheitsmaßnahmen Zuverlässigkeit Kenngrößen und -funktionen Zuverlässigkeitsanalyse Zuverlässigkeitsverbesserung durch Redundanz Verfügbarkeit Kenngrößen ohne Berücksichtigung der Fehlererkennungszeit Kenngrößen mit Berücksichtigung der Fehlererkennungszeit Testfragen und Übungen zum Kapitel A Anhang 339 A.l Lösungen zu den Übungsaufgaben 339 A.2 Protokolle des Systems CONVAL A.3 Simuliertes Automatisierungsbeispiel Teilprozeß Reagieren" 360 A.4 Abkürzungsverzeichnis 361 A.5 Formelzeichenverzeichnis 362 A.6 Ausgewählte Normen und Richtlinien 367 Ergänzende Literatur 369 Sachwortverzeichnis 371