Automatisierungstechnik

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

Teil 1 Automatisierungstechnik - eine grundlegende Ingenieurwissenschaft 1 1 Einleitung 3 1.1 Einordnung der Automatisierungstechnik 3 1.1.1 Ziele und Entwicklungstrends der Automatisierungstechnik.. 3 1.1.1.1 Prozeßautomatisierung und Betriebsgewinn 3 1.1.1.2 Zielstellungen der Prozeßautomatisierung 5 1.1.1.3 Automatisierungstechnik und Industriegesellschaft 5 1.1.2 Automatisierungstechnik und Informatik 7 1.1.2.1 Materie-, Energie- und Informationsstrom 7 1.1.2.2 Software in der Automatisierungstechnik 9 1.1.2.3 Computer Aided Engineering (CAE) 11 1.2 Anwendung der Automatisierungstechnik 12 1.2.1 Hauptfunktionen der Automatisierungstechnik 12 1.2.1.1 Prozeßüberwachung 12 1.2.1.2 Prozeßsicherung 13 1.2.1.3 Prozeßstabilisierung 14 1.2.1.4 Prozeßführung 14 1.2.1.5 Prozeßoptimierung 15 1.2.2 Anwendungsbereiche der Automatisierungstechnik 16 1.2.2.1 Automatisierung technischer Prozesse 16 1.2.2.2 Nichttechnische Anwendungen der Automatisierungstechnik. 19 Teil 2 Theoretische Grundlagen der Automatisierungstechnik 21 2 Grundlagen der Regelungs- und Steuerungstechnik 23 2.1 Einführung 24 2.1.1 Funktionelle Betrachtungsweise 24 2.1.2 Begriffe der Regelungs- und Steuerungstechnik 26 2.1.2.1 System 26

VIII Inhaltsverzeichnis 2.1.2.2 Größe 27 2.1.2.3 Prozeß und Modell 28 2.1.2.4 Wirkungsplan 28 2.1.2.5 Regelung 29 2.1.2.6 Steuerung 29 2.1.3 Informationen und Signale 30 2.1.3.1 Information 30 2.1.3.2 Signal 31 2.1.3.3 Signaleinteilung 32 2.1.4 Graphische Symbole und Kennbuchstaben 34 2.1.4.1 Symbole 34 2.1.4.2 Kennbuchstaben 35 2.2 Mathematische Beschreibung stetig wirkender Systeme 36 2.2.1 Statische Beschreibung 37 2.2.1.1 Linearisierung der Kennlinie 37 2.2.1.2 Typische Nichtlinearitäten 38 2.2.2 Dynamische Beschreibung linearer zeitinvarianter Systeme... 39 2.2.2.1 Lineare Übertragungsglieder 39 2.2.2.2 Testsignale 39 2.2.2.3 Sprungantwort und Übergangsfunktion 41 2.2.2.4 Frequenzgang und Ortskurve 42 2.2.2.5 Differentialgleichung 45 2.2.2.6 Übertragungsfunktion 47 2.2.2.7 Zusammenhänge zwischen den Beschreibungsformen 50 2.2.2.8 Weitere Beschreibungsformen 52 2.2.3 Übersicht der linearen Grundglieder 53 2.2.3.1 P-Glied. 53 2.2.3.2 I-Glied 55 2.2.3.3 D-Glied 55 2.2.3.4 T t -Glied 55 2.2.3.5 T r Glied 56 2.2.3.6 T 2 -Glied 56 2.2.4 Grundstrukturen des Wirkungsplanes 57 2.2.4.1 Reihenstruktur 57 2.2.4.2 Parallelstruktur 58 2.2.4.3 Kreisstruktur 59 3 Regelungstechnik 61 3.1 Elemente des Regelkreises 61 3.1.1 Struktur und Größen des Regelkreises 61 3.1.1.1 Struktur des Eingrößen-Regelkreises 61 3.1.1.2 Erläuterung der Größen des Regelkreises 63 3.1.1.3 Stell- und Störverhalten der Strecke 64 3.1.2 Regelstrecken mit Ausgleich (P-Strecken) 65 3.1.2.1 Strecke mit Ausgleich 0. Ordnung, P-T 0 -Strecke 66

3.1.2.2 Strecke mit Ausgleich 1. Ordnung, P-T r Strecke 66 3.1.2.3 Strecke mit Ausgleich 2. und höherer Ordnung, P-T n -Strecke.. 67 3.1.2.4 Strecke mit Totzeit, T t -Strecke 68 3.1.2.5 Strecke mit Ausgleich i-ter Ordnung und Totzeit, P-T r T t -Strecke. 68 3.1.3 Regelstrecken ohne Ausgleich (I-Strecken) 69 3.1.3.1 Strecke ohne Ausgleich 0. Ordnung, I-T 0 -Strecke 70 3.1.3.2 Strecke ohne Ausgleich 1. Ordnung, I-T r Strecke 70 3.1.3.3 Strecke ohne Ausgleich i-ter Ordnung und Totzeit, I-T r T t -Strecke 71 3.1.4 Grundanteile und Arten linearer Regler 72 3.1.4.1 P-Anteil, P-Regler 72 3.1.4.2 I-Anteil, I-Regler 73 3.1.4.3 D-Anteil 74 3.1.4.4 PI-Regler 75 3.1.4.5 PD-Regler 77 3.1.4.6 PID-Regler 77 3.1.5 Technische Ausführung und Benennung der Regler 78 3.1.5.1 Konventionelle Ausführung 78 3.1.5.2 Rechnergestützte Ausführung 79 3.1.5.3 Weitere Regelalgorithmen 80 3.1.5.4 Benennung und Einteilung der Regler 80 3.2 Linearer Regelkreis 81 3.2.1 Übertragungsfunktionen 81 3.2.1.1 Angriffsort der Störgröße 81 3.2.1.2 Führungs- und Störungsverhalten des Regelkreises 82 3.2.2 Arten der Regelung 85 3.2.2.1 Beanspruchungsarten des Regelkreises 85 3.2.2.2 Einschwingverhalten 86 3.2.3 Stabilität des Regelsystems 87 3.2.3.1 Charakterisierung des Stabilitätsproblems 87 3.2.3.2 Lösung der charakteristischen Gleichung 88 3.2.3.3 Stabilitätskriterien 90 3.2.4 Typische Strecke-Regler-Kombinationen 94 3.2.4.1 Komplexer und reeller Regelfaktor 94 3.2.4.2 P-Regler an P-Strecke 95 3.2.4.3 P-Regler an I-Strecke 97 3.2.4.4 I-Regler an P-Strecke 99 3.2.4.5 Zusammenfassung 100 3.2.5 Einstellung und Optimierung von Regelkreisen 102 3.2.5.1 Güte der Regelung 102 3.2.5.2 Frequenzkennlinienverfahren 103 3.2.5.3 Wurzelortsverfahren 105 3.2.5.4 Parameteroptimierung mittels Integralkriterien 107 3.2.5.5 Betragsoptimierung 109 3.2.5.6 Verwendung von Einstellregeln 110 3.2.5.7 Nutzung des rechnergestützten Entwurfs 112

3.3 Ausgewählte Formen von Eingrößen-Regelkreisen 114 3.3.1 Mehrschleifiger Regelkreis 114 3.3.1.1 Zielstellung 114 3.3.1.2 Regelkreis mit Störgrößenaufschaltung 115 3.3.1.3 Kaskadenregelung 117 3.3.2 Regelkreis mit Zweipunktregler 118 3.3.2.1 Anwendung 118 3.3.2.2 Arbeitsbewegung 119 3.3.3 Adaptiver Regelkreis 122 3.3.3.1 Zielsetzung 122 3.3.3.2 Self-Tuning-Verfahren 122 3.3.3.3 Modell-Referenz-Verfahren 123 3.4 Regelung und Steuerung von Mehrgrößensystemen 124 3.4.1 Mehrgrößensysteme 124 3.4.1.1 Einführende Beispiele 124 3.4.1.2 Definition 127 3.4.1.3 Getastete Regelkreise 128 3.4.1.4 Mathematische Beschreibung quasikontinuierlicher Mehrgrößensysteme 130 3.4.2 Arten der Leittechnik für Mehrgrößensysteme 132 3.4.2.1 Regelung von Mehrgrößensystemen (Rückführungsprinzip) 132 3.4.2.2 Steuerung von Mehrgrößensystemen (modellbasierte Vorwärtssteuerung) 134 3.4.2.3 Kombinierte Regelung und Steuerung von Mehrgrößensystemen 137 3.4.3 Eigenschaften von Mehrgrößenregelungssystemen 139 3.4.3.1 Stabilität 139 3.4.3.2 Autonomie 141 3.4.3.3 Zusammenhänge zwischen Stabilität, Invarianz, Autonomie und Regelgüte 144 4 Experimentelle Prozeßanalyse 147 4.1 Grundlagen 147 4.1.1 Zielstellung 147 4.1.2 Modellbegriff und -abgrenzung 148 4.1.2.1 Begriffe und Definitionen 148 4.1.2.2 Prozeß und Prozeßvariable 149 4.1.3 Einteilung und Entwicklung mathematischer Modelle 150 4.1.3.1 Einteilung mathematischer Modelle 150 4.1.3.2 Eigenschaften eines mathematischen Modells 152 4.1.3.3 Praktische Modellentwicklung 153 4.1.4 Signalanalyse und theoretische Prozeßanalyse 155 4.1.4.1 Signalanalyse 155 4.1.4.2 Theoretische Prozeßmodellierung 155

4.2 Deterministische Identifikation linearisierter kontinuierlicher Systeme 158 4.2.1 Einführung 158 4.2.1.1 Arbeitsprinzip 158 4.2.1.2 Steuer- und Beobachtbarkeit 159 4.2.1.3 Modellkomponenten 160 4.2.2 Modellbestimmmung aus der Übergangsfunktion 161 4.2.2.1 Strukturerkennung 161 4.2.2.2 Voraussetzungen 161 4.2.2.3 Zielstellung zur Bestimmung der Übertragungsglieder Sjj(s).. 162 4.2.2.4 Ablauf der Modellbestimmung 162 4.2.2.5 Beispiele 163 4.2.3 Modellbestimmung aus der Frequenzgangdarstellung 167 4.2.3.1 Meßverfahren zur Aufnahme der Ortskurve 167 4.2.3.2 Auswertung der Ortskurve 168 4.2.3.3 Beispiele 171 4.3 Statistische Identifikation von Systemen 172 4.3.1 Einführung 172 4.3.1.1 Informationsgewinnung aus stochastischen Signalen 172 4.3.1.2 Stufen der experimentellen Modellbildung 173 4.3.1.3 Aufgabenstellung der Modellschätzung 175 4.3.1.4 Klassifikationsgesichtspunkte 176 4.3.1.5 Beschreibung abgetasteter kontinuierlicher Signale 176 4.3.2 Direkte Schätzverfahren für nichtparametrische Modelle 178 4.3.2.1 Nichtparametrische dynamische Modelle 178 4.3.2.2 Übersicht 179 4.3.3 Mathematische Grundlagen der Parameterschätzverfahren... 180 4.3.3.1 Methode der kleinsten Quadrate (Regression) 180 4.3.3.2 Differenzengleichung eines ungestörten getasteten Systems... 182 4.3.3.3 Gleichungen des gestörten Systems 184 4.3.3.4 Bildung des Fehlersignals 185 4.3.4 Übersicht der Parameterschätzverfahren 187 4.3.4.1 Einteilung der Parameterschätzverfahren 187 4.3.4.2 Festlegung der Modellordnung 188 4.3.4.3 Direkte Methode der Regression 189 4.3.4.4 Rekursive Methode der Regression 190 4.3.4.5 Weitere Parameterschätzverfahren 191 4.3.4.6 Offene Probleme 192 4.3.4.7 Rechnergestützte Parameterschätzung 193 5 Steuerungstechnik 195 5.1 Grundlagen der Steuerungstechnik 195 5.1.1 Arten von Steuerungen 195 5.1.1.1 Grundbegriffe 195 5.1.1.2 Einteilung digitaler und binärer Steuerungen 197

dl Inhaltsverzeichnis 5.1.1.3 Arten von Steuerungssignalen 198 5.1.2 Schaltzeichen binärer Systeme 199 5.1.2.1 Auswahl graphischer Symbole aus DIN 40900 (Teil 7) 199 5.1.2.2 Auswahl graphischer Symbole aus DIN 40900 (Teil 12) 201 5.1.3 Logische Verknüpfungen 206 5.1.3.1 Logische Grundfunktionen, 206 5.1.3.2 Erweiterte logische Verknüpfungen 208 5.2 Grundzüge der Schaltalgebra 209 5.2.1 Mathematische Symbole 209 5.2.1.1 Übersicht 209 5.2.1.2 Bindungsstärke der Symbole 210 5.2.2 Rechengesetze 212 5.2.2.1 Kommutatives Gesetz (Vertauschungsgesetz) 212 5.2.2.2 Assoziatives Gesetz (Verbindungsgesetz) 212 5.2.2.3 Distributives Gesetz (Verteilungsgesetz) 213 5.2.2.4 Inversionsgesetz (Umkehrungsgesetz) 214 5.2.3 Normalformen logischer Funktionen 216 5.2.3.1 Definition 216 5.2.3.2 Vollständige disjunktive Normalform 216 5.2.3.3 Vollständige konjunktive Normalform 217 5.2.3.4 Verwendung der Normalformen 218 5.2.4 Rechenregeln 219 5.2.4.1 Postulate der Schaltalgebra 220 5.2.4.2 Ausgewählte Rechenregeln der Schaltalgebra 221 5.2.5 Schaltungsvereinfachung und Kürzungsverfahren 223 5.2.5.1 Rechnerische Schaltungsvereinfachung 223 5.2.5.2 Kürzung mit dem KARNAUGH-VEiTCH-Diagramm 227 5.3 Ausgewählte Teilprobleme der Steuerungstechnik 230 5.3.1 Vergleichende Darstellung der Beschreibungsmöglichkeiten.. 230 5.3.2 Realisierung elektronischer Logikelemente 232 5.3.3 Schaltungssynthese mit NAND- und NOR-Gattern 233 5.3.4 Schaltwerke 234 5.3.4.1 Merkmale 234 5.3.4.2 Vermeiden von Fehlschaltungen (Hazards) 235 Teil 3 Technik rechnergestützter Automatisierungsgeräte 237 6 Gerätetechnische Grundlagen der Prozeßdatenverarbeitung.. 239 6.1 Einführung 240 6.1.1 Geschichtlicher Abriß zur Entwicklung der Prozeßrechentechnik 240 6.1.1.1 Rechenfunktionen in der Automatisierungstechnik 240 6.1.1.2 Entwicklung der Prozeßrechentechnik 241

XIII 6.1.2 Rechnergestützte Automatisierungsgeräte 243 6.1.2.1 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) 244 6.1.2.2 Industrie-Personal-Computer (IPC) 244 6.1.2.3 Prozeßleitsysteme (PLS) 245 6.1.2.4 Gegenüberstellung und Anwendungsbereiche 245 6.1.3 Gerätenetze 246 6.1.3.1 Automatisierungsstrukturen 246 6.1.3.2 Lokale Netze 247 6.1.3.3 ISO/OSI-Referenzmodell 249 6.1.3.4 Standardisierung bei Kommunikationssystemen 251 6.2 Technik und Wirkungsweise von PDV-Geräten 252 6.2.1 Leistungsmerkmale von PDV-Geräten 252 6.2.1.1 Gegenüberstellung rechnergestützter und konventioneller PDV-Geräte 252 6.2.1.2 Merkmale der Prozeßrechentechnik 253 6.2.2 Aufbau und Arbeitsweise der Zentraleinheit 255 6.2.2.1 Arbeitsprinzip des Einadreßrechners 255 6.2.2.2 Zentrale Verarbeitungseinheit 256 6.2.2.3 Bestandteile der Zentraleinheit für den Realtime-Betrieb 257 6.2.2.4 Mikroprozessortechnik 259 6.2.3 Prozeßdatenein- und -ausgäbe 261 6.2.3.1 Analogwerteingabe 262 6.2.3.2 Digitalwert- und Impulseingabe 264 6.2.3.3 Prozeßdatenausgabe 264 6.2.4 Prozeßleittechnik 265 6.2.4.1 Grundlagen 265 6.2.4.2 Prozeßvisualisierung 266 6.2.4.3 Strukturieren von PLS-Geräten 267 7 Programmtechnische Grundlagen der Prozeßdatenverarbeitung 271 7.1 Realtime-Betriebssysteme und Prozeßprogrammiersprachen 271 7.1.1 Darstellung digitaler Daten 271 7.1.1.1 Übersicht gebräuchlicher Zahlenformate 271 7.1.1.2 Umrechnung der Zahlenformate 273 7.1.2 Softwarequalität 274 7.1.2.1 Konsequenzen der Funktionsprogrammierung 274 7.1.2.2 Softwarezuverlässigkeit 275 7.1.3 Realtime-Betriebssysteme 276 7.1.3.1 Merkmale 276 7.1.3.2 Taskkonzept 278 7.1.3.3 Aufbau 278 7.1.4 Prozeßprogrammiersprachen 280 7.1.4.1 Assemblersprachen 280

XIV Inhaltsverzeichnis 7.1.4.2 Fachsprachen und spezielle Programmiersysteme 281 7.1.4.3 Realtime-Hochsprachen 282 7.2 Methodische Grundlagen der Anwenderprogrammentwicklung 284 7.2.1 Software Engineering 284 7.2.1.1 Einführung 284 7.2.1.2 Stufen der Software-Entwicklung 285 7.2.2 Etappe des geistig-kreativen Entwurfes 287 7.2.2.1 Problemanalyse, Anforderungsdefinition 287 7.2.2.2 Strukurentwurf 288 7.2.2.3 Algorithmenentwurf 291 7.2.2.4 Programmcodierung 294 7.2.3 Etappe der rechnergestützt-formalen Realisierung 295 7.2.3.1 Editieren, Übersetzen, Laden/Binden 295 7.2.3.2 Offline-Programmtest 296 7.2.3.3 Online/Realtime-Systemtest 297 7.2.3.4 Dokumentation der Software-Entwicklung 299 8 Speicherprogrammierbare Steuerungen 303 8.1 Geräte- und Programmtechnik 304 8.1.1 Gerätetechnik einer SPS 304 8.1.1.1 Modularitätsprinzip 304 8.1.1.2 Hinweise zum Baugruppen-Stecken 305 8.1.1.3 CPU-Baugruppen 306 8.1.1.4 Eingabe- und Ausgabebaugruppen 306 8.1.1.5 Weitere SPS-Baugruppen 307 8.1.1.6 Schnittstellen 308 8.1.2 Programmtechnik einer SPS 308 8.1.2.1 Zusammenstellung der Software-Bausteine 308 8.1.2.2 Permanenter zyklischer Betrieb einer SPS 310 8.1.2.3 Zykluszeit und Reaktionszeit 312 8.1.2.4 Ergänzende Betriebsarten einer SPS 313 8.1.3 Programmdarstellungsarten 315 8.1.3.1 Normgerechte Programmierung nach IEC 1131-1/3 315 8.1.3.2 Kontaktplan, Funktionsplan und Anweisungsliste 317 8.1.4 Unterstützungsfunktionen des Programmiergerätes 319 8.1.4.1 Übersicht zum Softwarepaket STEP 5 319 8.1.4.2 Eingabe, Ausgabe und Korrektur von Anwenderprogrammen. 320 8.1.4.3 Unterstützung des Programmtests und der Fehlersuche 321 8.2 Beschreibung der programmierbaren Funktionen 323 8.2.1 Bausteinbezogene Funktionen 323 8.2.1.1 Aufruf und Beendigung von Bausteinen 323 8.2.1.2 Aktivierung von Datenbausteinen 325 8.2.2 Binäre Verknüpfungs- und Speicherfunktionen 326 8.2.2.1 Programmanweisung und Verknüpfungsergebnis 326

8.2.2.2 Übersicht der Operandenbereiche 328 8.2.2.3 UND-, ODER- und NICHT-Verknüpfungen 329 8.2.2.4 Berücksichtigung der Geber 332 8.2.2.5 Setzen und Rücksetzen 334 8.2.2.6 Flankenerkennung 336 8.2.3 Zeit- und Zählfunktionen 337 8.2.3.1 Starten, Rücksetzen und Abfragen einer Zeitfunktion 337 8.2.3.2 Übersicht der verfügbaren Zeitfunktionen 339 8.2.3.3 Setzen, Rücksetzen und Vor-/Rückwärtszählen einer Zählfunktion 341 8.2.4 Mathematische Funktionen 343 8.2.4.1 Allgemeine Hinweise 343 8.2.4.2 Laden und Transferieren 344 8.2.4.3 Vergleichsfunktionen 346 8.2.4.4 Arithmetische Funktionen 347 8.2.4.5 Digitalverknüpfungen und Umwandlungsoperationen 349 8.2.5 Organisatorische Funktionen 350 8.2.5.1 Sprungfunktionen 350 8.2.5.2 Schiebefunktionen 352 8.2.5.3 Bearbeitungsfunktionen 352 8.3 Übersicht zu speziellen Gebieten der SPS-Technik 355 8.3.1 Programmierung von Funktionsbausteinen mit Formaloperanden 355 8.3.2 Analogwertverarbeitung und Regelung 356 8.3.3 Alarm- und zeitgesteuerter Betrieb 356 8.3.4 Prozeßvisualisierung und -bedienung 357 8.3.5 Vernetzung mehrerer Geräte 358 8.3.6 Erstellung und Anwendung von Fuzzy-Logic-Funktionsbausteinen 360 8.3.7 Kopplung eines PC-basierten Expertensystems 360 8.4 Operationsliste der SIMATIC S5-100U und S5-135U 362 8.4.1 Erläuterungen 362 8.4.1.1 Erläuterungen zur Operationsliste 362 8.4.1.2 Erläuterung der Operanden-Kennzeichen und -Parameter... 363 8.4.1.3 Erläuterung der Formaloperanden-Deklaration 365 8.4.2 Grundoperationen 367 8.4.2.1 Binäre Verknüpfungs- und Speicheroperationen 367 8.4.2.2 Lade- und Transferoperationen 369 8.4.2.3 Zeit- und Zähloperationen 373 8.4.2.4 Arithmetische Operationen 373 8.4.2.5 Vergleichsoperationen 374 8.4.2.6 Bausteinaufruf- und -rücksprung-operationen 375 8.4.2.7 Null-, Stop- und Bildaufbau-Operationen 377 8.4.3 Ergänzende Operationen 377 8.4.3.1 Binäre und digitale Verknüpfungsoperationen 377

XVI Inhaltsverzeichnis 8.4.3.2 Speicher- und Setzoperationen 378 8.4.3.3 Zeit- und Zähloperationen 379 8.4.3.4 Lade- und Transferoperationen 379 8.4.3.5 Umwandlungsoperationen 380 8.4.3.6 Schiebe- und Rotationsoperationen 381 8.4.3.7 Sprungoperationen 382 8.4.3.8 Sonstige Operationen 384 8.4.4 Ausgewählte Systemoperationen 386 8.4.4.1 Lade- und Transferoperationen 386 8.4.4.2 Arithmetische Operationen 386 8.4.4.3 Sonstige Operationen 387 Literaturverzeichnis 389 Sachverzeichnis 395