1. Gliederung und Einführung

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Grundlagen derAutomatisierungstechnik

(Automatisierungstechnik 1)

1. Gliederung und Einführung

GdA

2WiSe 19/20 Georg Frey

Motivation

• Warum Beschäftigung mit Automatisierung in der Mechatronik und imMaschinenbau? Beispiel Maschinen und Anlagen:

• Steigender Anteil Elektronik + Softwaream Entwicklungsaufwand

Quelle: McKinsey

Entwicklungsaufwand

Jahr

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Wer macht AT: Die großen 8

Schneider

Télémécanique

Square D

Modicon

SchneiderElectric

Merlin Gérin

“TransparentFactory”

SACDA

Profimatics

P&F SafetySystems

L&N

Measurex

InterplantConsulting

Allied Signal

POMS

Honeywell

Experion PKS,TotalPlant

RockwellSoftware

Dodge

Allen-Bradley

Reliance

RockwellAutomation

RSview

Moore

Milltronics

Axiva

ORSI

Siemens

Compex

Vickers

Turbi-Werke

"TotallyIntegrated

Automation"

Intellution

GE Industrial

GE Fanuc

Cimplicity

FisherRosemountl

PC&E

Emerson

CSI

WestinghousePCD

Kenonics

MDC

ControlTechniques

Saab MarineElectronics

Delta V,Plantweb

Wonderware

Triconex

Eurotherm

APV

Baan

Foxboro

AVANTIS

PACSIM

SimSci-Esscor

WalshAutomation

Invensys

Esscor

ArchestA

Hartmann &Braun

Fisher &Porter

CombustionEngineering

Alfa-LavalAutomation

AugustSystems

ElsagBailey

CellierEngineering

Skyva

ABB

IndustrialIT

GdA


Wer macht welche AT?

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Motivation

• charakteristisch: zyklische, koordinierte Bewegungen

Steigender Anteil der Steuerungs-Software Beispiel: Verpackungsmaschine

GdA


Motivation

charakteristisch: zyklische, koordinierte Bewegungen Folie stückweise weiterziehen

Schieber öffnen Folie längsverschweißen Folie zusammendrücken

und zuschweißen Folie abschneiden

Wie werden zyklischeBewegungen erzeugt?


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GdA


Motivation

Frühere Antriebslösung:


GdA


Motivation

Frühere Antriebslösung:


Umsetzung der Bewegung über Kurvenscheiben und Hebel umständlich und unflexibel

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GdA


Motivation

• Kopplung des Vorschubs an andere Bewegungen Tüten haben festgelegte Länge

• Kopplung des Messers an andere Bewegungen Tüten haben festgelegte Breite

• Kopplung des Schließers an andere Bewegungen Tüten haben festgelegte Füllmenge

fehlende Flexibilität

Beispiel: Verpackungsmaschine mitfrüherer Antriebslösung:

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Motivation

Heutige Antriebslösung:

Servomotor Servomotor

Steuerung

Servoverstärker Servoverstärker

Bedienpult


Steigender Anteil anElektronik und Software in Maschinen

flexible Anpassungeinzelner Bewegungen möglich

Koordination der Bewegungenüber Software-Steuerung erforderlich

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GdA


Motivation

• Warum Beschäftigung mit Automatisierung in der Mechatronik? Beispiel Kraftfahrzeuge:

• Steigender Anteil Elektronik + Software an den Entwicklungskosten• Gründe: wachsendes

Komfort-bedürfnis

steigendeGesetzes-anforderungen

SubstitutionmechanischerKomponenten

zunehmendeAutomatisierung

GdA


Motivation

• Warum Beschäftigung mit Automatisierung in der Mechatronik? Nicht nur die Produkte basieren zu wesentlichen Anteilen auf

Automatisierungstechnik, sondern auch

ihre Produktion.

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GdA


Was ist Technik?

DerEinsatz

vontechnischen Mitteln

zumErreichen

vonZielen

zurBeeinflussung

vonProzessen

GdA


Was ist Automatisierungstechnik?

DerEinsatz


zumErreichen

vonZielen

selbsttätigen

zurBeeinflussung

vonProzessen

1. WelcheProzesse?

2. WelcheZiele?

3. WelcheMittel?

Automatisierung Ursprungim griechischen automatos(= sich selbst bewegend)

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GdA


Was ist ein Prozess?

• Definition „Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem System, durch die

Materie, Energie oder auch Information umgeformt, transportiert oder auchgespeichert wird.“ [DIN 19226]

Prozess =Gesamtheit der Vorgänge zum

Umformen, zum Transportoder zur Speicherung

MaterieEnergie

Information

MaterieEnergie

Information

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Was ist ein technischer Prozess?

• Definition „Ein technischer Prozess ist ein Prozess, dessen physikalische Größen mit

technischen Mitteln erfasst und beeinflusst werden.“ [DIN 19226]

Prozess =Gesamtheit der Vorgänge zum

Umformen, zum Transportoder zur Speicherung

MaterieEnergie

Information

MaterieEnergie

Information

Einflussgrößen

Ergebnisgrößen

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GdA


Was ist ein technischer Prozess?

TechnischerProzess

Zustandvorher

Zustandnachher

von: Materie, Energie, Information von: Materie, Energie, Information

Prozessdatenvom Sensor

Stellgrößeam Aktor

• Definition „Ein technischer Prozess ist ein Prozess, dessen

physikalische Größen mit technischen Mitteln erfasst undbeeinflusst werden.“ [DIN 19226]

GdA


Welche Prozesse werden behandelt?

Besonders interessant: Produktionsprozessezur Herstellung von

• Farben, Bier, el. Strom• in kontinuierlichen

Größen gemessen• Herstellung erfolgt

kontinuierlich oderdiskontinuierlich (Batch-Processing)

• Leiterplatten, ICs, Autos• in Stück gemessen• Herstellung erfolgt

diskontinuierlich(stückweise)

Mischformen sind möglich!

Fließgütern (Processing) Stückgütern (Manufacturing)

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GdA


• Gebiete der Automatisierung Prozessautomatisierung

• Erdölraffinierie, Kohlekraftwerk, ... Fertigungsautomatisierung

• Montage, Handhabung, Werkzeugmaschinen, ... Geräteautomatisierung

• Waschmaschine, Getränkeautomat, Digitalkamera, ... Gebäudeautomatisierung

• Last- und Personenaufzüge, Heizungs- und Lüftungsanlagen, ... Verkehrsautomatisierung

• Verkehrsleitsystem, Gepäcktransportsystem, ... Fahrzeugautomatisierung

• Motorsteuerung, ABS, ESP, ...

Was wird noch automatisiert?

GdA


DerEinsatz


zumErreichen

vonZielen

selbsttätigen

zurBeeinflussung

vonProzessen

Das ist Automatisierungstechnik

TechnischeProzesse

2. WelcheZiele?

3. WelcheMittel?

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GdA


Was will Automatisierungstechnik?

• Für einen Vorgang / ein Gerät / eine Anlage soll die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, (funktionale) Sicherheit, Verlässlichkeit (Dependability) Integrität, Wartbarkeit Geschwindigkeit und/oder Präzision bzw. Qualitäterhöht werden und/oder die Kostengesenkt werden

• Der Mensch soll/muss (partiell) ersetzt werden, um dies zu erreichen.• Aber das Weg-Rationalisieren des Menschen ist kein Selbstzweck!

Hohe Verantwortung, Abwägung der Ziele und Mittel

GdA


Was will Automatisierungstechnik?

• Beispiele für die Unterstützung und Entlastung des Menschen beimBetrieb eines technischen Prozesses: Bei monotonen wiederkehrenden Arbeiten (z.B. Bestücken von Leiterplatten,

Punktschweißen von Karosserieteilen). Bei Prozessen mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit, d.h. Vorgängen, die so schnell

ablaufen, dass der Mensch sie nicht mehr verfolgen oder eingreifen kann (z.B. beimSchneiden von Papierbahnen)

Bei Prozessen, die eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit erfordern (z. B.Überdruckabschaltung in einem Kompressor).

Bei Prozessen, die in gesundheitsgefährdender Umgebung anfallen (z.B. dasEinführen von Brennelementen in Kernkraftwerken)

Bei Prozessen, bei denen eine große Datenflut anfällt, die manuell nicht mehr zubewältigen ist.

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GdA


Das will Automatisierungstechnik

DerEinsatz


zumErreichen

vonZielen

selbsttätigen

zurBeeinflussung

vonProzessen

TechnischeProzesse

3. WelcheMittel?

DefinierteZiele

Inhalt dieserVorlesung

GdA


Was ist ein Automat?

• Automat: Mittel zur Automatisierung• DIN 19233:

„Ein Automat ist ein künstliches System,das selbsttätig ein Programm befolgt.Auf Grund des Programmstrifft das System Entscheidungen,die auf der Verknüpfung von Eingaben mitden jeweiligen Zuständen des Systems beruhenund Ausgaben zur Folge haben.“

Automat

EingabenAusgaben

Programm

Zustände

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Mittel der Automatisierung

TechnischerProzess

Zustandvorher

Zustandnachher

von: Materie, Energie, Information




• Vollständige Automatisierung eines technischen Prozesses

AutomatProgramm

Zustände

Mensch

AnzeigenBeobachten

StartStopp

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Automatisierung technischer Prozesse

TechnischerProzess

Zustandvorher

Zustandnachher


Automat

Mensch



AnzeigenBeobachten

Bedienen


direkteBeobachtung

direkterEingriff

• teilweise Automatisierung eines technischen Prozesses

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Auswirkungen auf den Menschen

• Minderbedarf an menschlicher Arbeitskraft im engeren Produktionsbereich• Mehrbedarf an menschlicher Arbeitskraft (Intelligenz) im Bereich höherer Qualifikation• Mehrbedarf an hochwertiger Technik• Gezielte Einbeziehung des Menschen im Gesamtsystem Prozess-Automatisierung-Mensch

Prozess

Mensch

Automatisierung

GdA


Entwurf von Automatisierungssystemen

TechnischerProzess

Zustandvorher

Zustandnachher





AutomatProgramm

Zustände

• Der systematische, mathematisch fundierte Entwurf eines Automatensetzt eine mathematische Beschreibung des technischen Prozesses der eingesetzten Sensoren und Aktoren

voraus.

Aktor(math. beschrieben)

Sensor(math. beschrieben)

Prozessmath. beschrieben

Bedienen Automatmath. beschrieben

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GdA


Prinzip der Automatisierung

• Zeitveränderliche Größen:(1) Vorgaben(2) Stellsignale(3) den Prozess beeinflussende Größen(4) beeinflusste Größen(5) Sensorsignale (gemessene Größen)

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Ziele der Vorlesung

Wissen was Automatisierung bedeutet

Spezifische Inhalte:

Automatisierungssysteme und Anwendungen

Anforderungen an Automatisierungssysteme

Verlässlichkeit und funktionale Sicherheit (SIL-Nachweis, stochastische Modelle)

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

Steuerungsentwurf mit Petrinetzen

Normfachsprachen für Steuerungen nach IEC 61131

Industrial Security (Überblick, Anforderungen, IEC 62443)

Documents

1. Gliederung und Einführung