Taschenbuch der Automatisierung

von: Reinhard Langmann

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2017

ISBN: 9783446451025

Sprache: Deutsch

635 Seiten, Download: 42041 KB

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Taschenbuch der Automatisierung

	Vorwort	8
	Inhaltsverzeichnis	10
	0 Einleitung	20
	0.1 Begriff der Automatisierung	20
	0.2 Fachinhalt	20
	1 Strukturen	23
	1.1 Automatisierung technischer Prozesse	23
	1.1.1 Grundbegriffe	23
	1.1.1.1 Prozess und Prozesstechnik	23
	1.1.1.2 Produktionstechnik	23
	1.1.1.3 Informationstechnik	24
	1.1.2 Strukturierung produktionstechnischer Prozesse	24
	1.1.2.1 Prozessabschnitte	24
	1.1.2.2 Prozessoperationen	25
	1.1.2.3 Prozessschritte	26
	1.1.3 Darstellungsformen für Prozesse	26
	1.1.3.1 Grundfließbild	26
	1.1.3.2 Formalisierte Prozessbeschreibungen	27
	1.1.3.3 GRAFCET-Plan	29
	1.1.3.4 Fertigungsablaufplan	30
	1.1.4 Anlagenhierarchien	30
	1.1.4.1 Produktionstechnische Anlagen	30
	1.1.4.2 Teilanlage	31
	1.1.4.3 Technische Einrichtung	32
	1.1.5 Darstellung verfahrenstechnischer Anlagen	34
	1.1.5.1 Fließbilder	34
	1.1.5.2 Anlagen- und Apparatekennzeichen (AKZ)	36
	1.1.6 Charakteristika technischer Prozesse	39
	1.1.6.1 Kontinuierliche Verfahren	39
	1.1.6.2 Diskontinuierliche Verfahren	39
	1.1.6.3 Fertigungen	40
	1.1.6.4 Mengen- und Zeitbegriffe	40
	1.1.7 Anlagenkonzepte	41
	1.1.7.1 Taxonomien nach NAMUR	41
	1.1.7.2 Anlagen für den Fließbetrieb	42
	1.1.7.3 Anlagen für den Absatzbetrieb	42
	1.1.8 Anforderungen an die Leittechnik	43
	1.1.8.1 Anlagentechnische Anforderungen	43
	1.1.8.2 Anforderungen aus Sicht der Produktion	44
	1.2 Strukturen von Prozessleitsystemen	46
	1.2.1 Zielsetzung	46
	1.2.2 Topologien	47
	1.2.2.1 Parallele Technik	47
	1.2.2.2 Zentrale Technik	48
	1.2.2.3 Dezentrale Technik	48
	1.2.3 Prozessnahe Komponenten (PNK)	50
	1.2.3.1 Funktionen	50
	1.2.3.2 Aufbau	50
	1.2.4 Anzeige- und Bedienkomponenten (ABK)	51
	1.2.4.1 Funktionen	51
	1.2.4.2 Aufbau	52
	1.2.5 Engineering Workstations (EWS)	53
	1.2.6 Leitrechnerkomponenten (LRK)	53
	1.2.7 Netzwerkkomponenten	54
	1.2.7.1 Funktionen	54
	1.2.7.2 Topologien und Technologien	54
	1.3 Aktuelle Entwicklungen	55
	2 Rechner	58
	2.1 Einführung	58
	2.2 Rechnerkern	59
	2.2.1 Darstellung von Prozessgrößen	59
	2.2.2 Grundstruktur eines Mikroprozessors	64
	2.2.3 Basisfunktionen einer CPU	66
	2.2.3.1 Befehlsarten	67
	2.2.3.2 Adressierungsarten	69
	2.2.3.3 Multitasking-Unterstützung	71
	2.2.4 Busschnittstelle	74
	2.2.5 Leistungserhöhung des Rechnerkerns	77
	2.2.5.1 Parallelverarbeitung	77
	2.2.5.2 Schneller Zwischenspeicher	79
	2.2.5.3 Mehrkernprozessoren	80
	2.3 Eingabe- und Ausgabesystem	81
	2.3.1 Betriebsarten für die Ein- und Ausgabe	82
	2.3.1.1 Programmierte Ein- und Ausgabe	82
	2.3.1.2 Interruptgesteuerte Ein- und Ausgabe	83
	2.3.1.3 Direkter Speicherzugriff	86
	2.3.2 Prozessrechner-Schnittstellen	87
	2.3.2.1 Bussysteme	88
	2.3.2.2 Punkt-zu-Punkt-Verbindungen	90
	2.4 Spezielle Rechnerstrukturen	92
	2.4.1 Mikrocontroller	92
	2.4.2 Signalprozessoren	95
	2.4.3 Kundenspezifische Controller	96
	2.5 Prozessrechner-Peripherie	96
	2.5.1 Digitalausgabe	97
	2.5.2 Digitaleingabe	97
	2.5.3 Analogausgabe	99
	2.5.4 Analogeingabe	100
	2.5.5 Echtzeituhren	103
	3 Komponenten	104
	3.1 Aufbau eines automatisierten Systems	104
	3.2 Sensoren	106
	3.2.1 Einführung in die Sensortechnik	106
	3.2.1.1 Sensoreigenschaften	107
	3.2.1.2 Physikalische Effekte für Sensoren	108
	3.2.1.3 Signalauswertung	111
	3.2.2 Sensoren und Messverfahren	113
	3.2.2.1 Temperatur	113
	3.2.2.2 Kraft, Masse	119
	3.2.2.3 Druck	120
	3.2.2.4 Drehmoment	124
	3.2.2.5 Länge, Winkel	125
	3.2.2.6 Position, Lage	127
	3.2.2.7 Drehzahl	128
	3.2.2.8 Beschleunigung	129
	3.2.2.9 Durchfluss	130
	3.2.2.10 Füllstand	135
	3.2.2.11 Feuchte	139
	3.2.2.12 Gassensoren	142
	3.3 Aktoren	144
	3.3.1 Einführung in die Aktorik	144
	3.3.2 Stellglieder für Masseströme	145
	3.3.2.1 Übersicht	146
	3.3.2.2 Eigenschaften und Kennlinien	146
	3.3.2.3 Auswahl von Stellgliedern	149
	3.3.3 Stellantriebe	150
	3.3.3.1 Eigenschaften	150
	3.3.3.2 Elektrische Stellantriebe	151
	3.3.3.3 Pneumatische Stellantriebe	152
	3.3.3.4 Hydraulische Stellantriebe	153
	3.3.3.5 Thermische Stellantriebe	154
	3.3.4 Ansteuereinrichtungen	156
	3.4 Automatisierungseinrichtungen	157
	3.4.1 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) – Aufbau und Wirkungsweise	159
	3.4.1.1 Zentralbaugruppe	161
	3.4.1.2 Peripheriebaugruppen	161
	3.4.1.3 Hardwarekonfiguration	161
	3.4.1.4 Einbindung des Anwendungsprogramms	162
	3.4.2 PC-basierte Steuerungen (Soft-SPS)	163
	3.4.3 Programmierbare Automatisierungs-Controller (Programmable Automation Controller, PAC)	164
	3.5 Steuerungen	165
	3.5.1 Einführung in die Steuerungstechnik	165
	3.5.1.1 Stetige Steuerungen	165
	3.5.1.2 Binäre Steuerungen	166
	3.5.2 Technische Realisierung	167
	3.6 Regelungen	168
	3.6.1 Einführung in die Regelungstechnik	169
	3.6.2 Berechnungsmethoden für Regelkreise	170
	3.6.2.1 Linearisierung	171
	3.6.2.2 Differenzialgleichung	172
	3.6.2.3 Laplace-Transformation	172
	3.6.2.4 Test-/Antwort-Funktionen	173
	3.6.2.5 Frequenzgang	174
	3.6.3 Elementare Übertragungsglieder	175
	3.6.3.1 Typische Regelstrecken	175
	3.6.3.2 Typische Regler	179
	3.6.4 Regelkreis	182
	3.6.4.1 Systemverhalten	183
	3.6.4.2 Auswahl geeigneter Regler	183
	3.6.4.3 Statisches Regelverhalten	183
	3.6.4.4 Stabilität von Regelkreisen	184
	3.6.4.5 Regelgüte	187
	3.6.4.6 Einstellregeln	188
	3.6.5 Technische Realisierung von Reglern	192
	3.6.5.1 Elektronische Regler	192
	3.6.5.2 Digitale Regler	193
	3.6.5.3 Pneumatische Regler	194
	3.6.5.4 Regler ohne Hilfsenergie	194
	3.6.6 Ergänzende Regelverfahren	194
	3.6.6.1 Störgrößenaufschaltung	195
	3.6.6.2 Hilfsgrößenaufschaltung	196
	3.6.6.3 Kaskadenregelung	197
	3.6.6.4 Adaptive Regler	197
	3.6.6.5 Schaltende Regler	199
	3.6.6.6 Zweipunktregler ohne Rückführung	199
	3.6.6.7 Zweipunktregler mit Rückführung	200
	3.6.6.8 Dreipunktregler	201
	3.6.7 Fuzzy-Regler	201
	4 Modelle	205
	4.1 Einführung	205
	4.1.1 Modellbildung	205
	4.1.2 Modellnutzung	206
	4.2 Prozessmodelle	207
	4.2.1 Theoretische Prozessanalyse	208
	4.2.1.1 Ablauf der theoretischen Modellbildung	208
	4.2.1.2 Methode der Bilanzgleichungen	209
	4.2.2 Experimentelle Prozessanalyse	211
	4.2.2.1 Modellgüte	211
	4.2.2.2 Testsignale	212
	4.3 Steuer- und Ablaufmodelle	213
	4.3.1 Überblick	213
	4.3.2 Programmablaufplan	216
	4.3.3 Zustands- und Automatengraph	220
	4.3.3.1 Zustandsgraph	220
	4.3.3.2 Automatengraph	221
	4.3.4 Steuernetz	226
	4.3.5 SPS-Modelle	229
	4.3.5.1 Einordnung	229
	4.3.5.2 Der SPS-Standard IEC 61131	230
	4.3.5.3 Software-Modell des Standards IEC 61131-3	231
	4.3.5.4 SPS-Modelle nach IEC 61131-3	233
	4.3.5.5 Zum Umfeld der IEC 61131-3	241
	4.4 Informationstechnische Modelle	242
	4.4.1 Software-Entwicklung	242
	4.4.2 Strukturierte Methoden	244
	4.4.2.1 Systementwicklung und strukturierte Methoden	244
	4.4.2.2 Strukturierte Analyse	247
	4.4.2.3 Real-Time-Analyse	249
	4.4.3 Objektorientierte Methoden	252
	4.4.3.1 Objektorientierte Analyse	252
	4.4.3.2 Unified Modeling Language	253
	4.4.3.3 Webbasierte Methoden	254
	5 Programme	257
	5.1 Betriebssysteme	257
	5.1.1 Begriffe	257
	5.1.1.1 Programmsystem	257
	5.1.1.2 Betriebssystem	257
	5.1.1.3 Anwendungs-Software	258
	5.1.1.4 Ebenenmodell der Programmsysteme	258
	5.1.1.5 Aufträge und Rechenprozesse	258
	5.1.1.6 Betriebsarten	259
	5.1.2 Betriebssystemkern	260
	5.1.2.1 Komponenten	260
	5.1.2.2 Unterbrechungsbearbeitung	262
	5.1.2.3 Prozessverwaltung	263
	5.1.2.4 Zeitverwaltung	271
	5.1.2.5 Speicherverwaltung	272
	5.1.2.6 Geräteverwaltung	274
	5.1.2.7 Dateiverwaltung	276
	5.1.3 Betriebssystemschale	280
	5.1.3.1 Komponenten	280
	5.1.3.2 Betriebssprachen	281
	5.1.3.3 Grafische Bedienoberflächen	281
	5.1.3.4 Programme zur Systempflege	283
	5.1.4 Realzeitbetrieb	283
	5.1.4.1 Begriffe und Voraussetzungen	283
	5.1.4.2 Realzeitprozesse im Singletask-Betrieb	284
	5.1.4.3 Realzeitprozesse im Multitask-Betrieb	285
	5.1.4.4 Realzeitmöglichkeiten marktüblicher Betriebssysteme	286
	5.2 Programmiersprachen	287
	5.2.1 Genealogie	287
	5.2.2 Prozessprogrammiersprachen	288
	5.2.2.1 Allgemeine Kriterien	288
	5.2.2.2 C als Prozessprogrammiersprache	288
	5.2.3 SPS-Programmierung nach DIN EN 61131-3	289
	5.2.3.1 Softwaremodell	289
	5.2.3.2 Grafische Programmiersprachen	290
	5.2.3.3 Textuelle Programmiersprachen	293
	5.2.3.4 Ablaufsprache	294
	5.2.4 Programmierumgebung	296
	5.2.4.1 Editoren	296
	5.2.4.2 Übersetzer	297
	5.2.4.3 Testhilfen	298
	5.3 Objektorientiertes Programmieren	299
	5.3.1 Grundlagen	299
	5.3.1.1 Objekte und Klassen	299
	5.3.1.2 Beziehungen zwischen Objekten	300
	5.3.1.3 Beziehungen zwischen Klassen	301
	5.3.2 Objektorientierte Programmiersprachen	302
	5.3.2.1 Anforderungen	302
	5.3.2.2 Eigenschaften objektorientierter Programmiersprachen	302
	5.3.2.3 Beispiele objektorientierter Sprachen	303
	5.4 Komponentenbasiertes Programmieren	306
	5.4.1 Grundlagen	306
	5.4.1.1 Technische Motivation	306
	5.4.1.2 Anforderungen an Komponentenmodelle	306
	5.4.2 Architekturen und Komponentenmodelle	307
	5.4.2.1 CORBA	307
	5.4.2.2 DCOM	309
	5.4.2.3 Realisierte Komponentenmodelle	309
	6 Kommunikation	312
	6.1 Kommunikationstechnik im industriellen Umfeld	312
	6.1.1 Zweck der industriellen Kommunikationstechnik	312
	6.1.2 Anforderungen an industrielle Kommunikationstechnologien	313
	6.2 Referenzmodelle für Kommunikationssysteme	314
	6.2.1 OSI-Referenzmodell	316
	6.2.2 TCP/IP-Referenzmodell	320
	6.3 Kommunikationstechnologien	323
	6.3.1 Kommunikation auf der physikalischen Ebene	324
	6.3.2 Netzwerktopologien	337
	6.3.3 Medienzugriff	342
	6.3.4 Ethernet	356
	6.3.5 Funktechnologien	366
	6.4 Paketübertragung auf der Netzwerkschicht	385
	6.4.1 IP Version 4 (IPv4)	387
	6.4.2 IP Version 6 (IPv6)	393
	6.5 Industrielle Kommunikationstechnik	397
	6.5.1 Einfache digitale Schnittstellen	397
	6.5.2 Feldbusse	403
	6.5.3 Industrielles Ethernet	419
	7 Mensch-Maschine-Systeme	425
	7.1 Einführung	425
	7.2 Mensch-Maschine-Kommunikation	427
	7.2.1 Aufgaben- und Tätigkeitssituationen	427
	7.2.2 Bedien- und Benutzerfreundlichkeit	428
	7.2.3 Mensch-Rechner-Schnittstelle	429
	7.2.4 Kommunikationsformen	429
	7.3 Grafische Benutzerschnittstellen	430
	7.3.1 Grundlagen	430
	7.3.2 Grafische Systeme und Schnittstellen	431
	7.3.3 Fenstertechnik	433
	7.3.3.1 X-Window-System	434
	7.3.3.2 MS Windows	434
	7.3.4 Interaktion und Dialog	435
	7.3.5 Gestaltung	436
	7.4 Informationsvisualisierung	441
	7.4.1 Grafische Datenanalyse	442
	7.4.1.1 Datenmatrixen	442
	7.4.1.2 Datenbanken	443
	7.4.2 Prozessvisualisierung	444
	7.4.2.1 Bildobjekte für technische Prozesse	445
	7.4.2.2 Erzeugung der Bilddynamik	446
	7.4.2.3 Prozessvisualisierungssysteme	449
	7.4.2.4 Prozessvisualisierung im Internet	450
	7.4.3 Neue Techniken der MMK	453
	7.4.3.1 Virtual Reality	454
	7.4.3.2 Computer Augmented Reality	455
	7.4.3.3 Multimedia	456
	8 Anwendungen	457
	8.1 Rezeptsteuerung und Verfahrenslogistik	457
	8.1.1 Grundbegriffe	457
	8.1.2 Funktionenmodelle und Aufgabenbereiche	458
	8.1.2.1 Funktionenmodell nach NE 33	458
	8.1.2.2 Aufgabenbereiche nach DIN EN 61512-1	460
	8.1.3 Produktunabhängige Steuerungskomponenten für Produktionsprozesse	460
	8.1.3.1 Steuerfunktionselemente	460
	8.1.3.2 Steuerfunktionen	461
	8.1.4 Rezepte	463
	8.1.4.1 Rezeptausprägungen und -hierarchien (nach NAMUR NE 33)	463
	8.1.4.2 Rezeptausprägungen und -hierarchien nach DIN EN 61512-1	466
	8.1.4.3 Aufbau von leittechnischen Grundoperationen und Steueroperationen	468
	8.1.4.4 Darstellungsformen	469
	8.1.5 Steuerungskomponenten für die Rezeptfahrweise und Verfahrenslogistik	471
	8.1.5.1 Teilanlagensteuerung	471
	8.1.5.2 Anlagensteuerung	472
	8.1.6 Rezeptausführung	473
	8.1.6.1 Bearbeitungsstände von Chargen	473
	8.1.6.2 Zustände von Steuerungskomponenten	473
	8.1.7 Bedienkonzepte	475
	8.1.7.1 Betriebsarten von Steuerungskomponenten	475
	8.1.7.2 Bedienen und Beobachten	477
	8.1.8 Chargendokumentation	477
	8.1.9 Erstellen und Pflegen von Rezepten	477
	8.1.9.1 Implementierung von Ausprägungen	477
	8.1.9.2 Erzeugung von Rezeptausprägungen	478
	8.2 Motion Control, Bahnsteuerungen	479
	8.2.1 Einführung, Begriffe	479
	8.2.2 Geregelte elektrische Antriebssysteme	481
	8.2.2.1 Grundlagen Regelung elektrischer Antriebe	481
	8.2.2.1.1 Dynamisches Verhalten elektrischer Antriebe	481
	8.2.2.1.2 Regelkonzepte elektrischer Antriebe	484
	8.2.2.2 Gerätetechnische Ausführung von Umrichtern für Drehstromantriebe	486
	8.2.2.3 Übersicht Umrichterfunktionalität	487
	8.2.2.3.1 Reglergrundfunktionen	489
	8.2.2.3.2 Kommunikations- und Schnittstellenfunktionen	490
	8.2.2.3.3 Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen	491
	8.2.3 Motion Control – Anwendungen	492
	8.2.3.1 Positioniersteuerung	493
	8.2.3.2 Synchronisierte Antriebe	494
	8.2.4 Grundlagen Bahnsteuerungen	496
	8.2.4.1 Teileprogramm und Steuerdatenaufbereitung	497
	8.2.4.2 Geometriedatenerzeugung	498
	8.2.4.3 Bahninterpolator – Trajektoriengenerierung	498
	8.2.4.4 Kinematische Transformationen	500
	8.3 NC-Technik	500
	8.3.1 NC-Maschinen	500
	8.3.2 Grundlagen der Werkstoffbearbeitung	501
	8.3.3 Koordinatensysteme in Werkzeugmaschinen	502
	8.3.4 Numerische Steuerungen	504
	8.3.4.1 NC-Systeme	504
	8.3.4.2 Programmiersprachen	506
	8.3.5 Fertigungssysteme	508
	8.3.6 Fertigungsintegration	510
	8.3.7 Die digitale Fabrik	512
	8.3.8 Ziel und Aufgaben der digitalen Fabrik	513
	8.4 Industrieroboter	515
	8.4.1 Struktur von Industrierobotern	515
	8.4.2 Programmierung von Robotern	518
	8.4.3 Sensorführung	520
	8.4.4 Industrielle Bildverarbeitung	523
	8.4.5 Anwendungsbeispiele	527
	8.5 Intelligente Rechnersysteme	529
	8.5.1 Einleitung	529
	8.5.2 Intelligente Maschinen	530
	8.5.3 Fuzzy-Logik	531
	8.5.3.1 Fuzzy-Sets	532
	8.5.3.2 Zugehörigkeitsfunktionen	533
	8.5.3.3 Fuzzy-Steuerungssystem	534
	8.5.4 Expertensysteme	535
	8.5.4.1 Fuzzy-Expertensysteme	537
	8.5.5 Neuronale Netze	537
	8.5.5.1 Aufbau von neuronalen Netzen	537
	8.5.5.2 Eigenschaften	538
	8.5.5.3 Lerntypen	539
	8.5.5.4 Datendarstellung	540
	8.5.5.5 Typen von neuronalen Netzen	540
	8.5.6 Genetische Algorithmen	541
	9 Projekte	542
	9.1 Projektmanagement	542
	9.1.1 Ziele	542
	9.1.2 Begriffe	542
	9.1.3 Abwicklungsphasen	545
	9.1.3.1 Vorgehensweise im Projekt	545
	9.1.3.2 Grundlagenermittlung	546
	9.1.3.3 Vorplanung	547
	9.1.3.4 Basisplanung	547
	9.1.3.5 Ausführungsplanung	548
	9.1.3.6 Errichtung	551
	9.1.3.7 Inbetriebsetzung	551
	9.1.3.8 Projektabschluss	552
	9.1.4 Qualitätssicherung in der Prozessleittechnik	552
	9.1.4.1 Begriffe	552
	9.1.4.2 Qualitätssicherung in der Produktion	554
	9.1.4.3 Validierung von Prozessen	554
	9.2 Verfügbarkeit und Sicherheit von PLS-Komponenten	557
	9.2.1 Begriffe zur Verfügbarkeit und Sicherheit	557
	9.2.2 Erhöhung der Verfügbarkeit von PLS-Komponenten	558
	9.2.2.1 Eigenüberwachung von PLS-Komponenten	558
	9.2.2.2 Backup- und Redundanzkonzepte	560
	9.2.3 Sicherung von Daten auf Rechnern	562
	9.2.3.1 Backup-Medien	562
	9.2.3.2 Organisatorische Maßnahmen für Backups	563
	9.2.3.3 RAID-Technologie	564
	9.2.4 Schutz gegen unautorisierten Zugang	565
	9.2.5 Schutz gegen feindliche Software (Malware)	566
	9.2.5.1 Malware	566
	9.2.5.2 Viren	567
	9.2.5.3 Würmer und Trojanische Pferde	567
	9.2.5.4 Gegenmaßnahmen	568
	9.3 Sicherheit	570
	9.3.1 Begriffe	570
	9.3.1.1 Sicherheit und Verfügbarkeit	570
	9.3.1.2 Wertebereiche von Prozessgrößen	570
	9.3.1.3 Erhöhung der Anlagensicherheit	572
	9.3.1.4 Sicherheitsanalysen	573
	9.3.2 Einteilung der PLT-Einrichtungen	574
	9.3.2.1 Klassifizierung nach VDI/VDE und NAMUR	574
	9.3.2.2 Darstellung der Funktionalität	575
	9.3.3 Überwachungseinrichtungen	576
	9.3.4 Schutz- und Schadensbegrenzungseinrichtungen	577
	9.3.4.1 Allgemeine Kriterien	577
	9.3.4.2 PLT-Schutzeinrichtungen	578
	9.3.4.3 PLT-Schadensbegrenzungseinrichtungen	582
	10 Anhang	583
	10.1 Normen und Richtlinien	583
	10.1.1 Normen-Auskunftszentren	583
	10.1.2 Normungsinstitutionen	583
	10.1.3 Bezeichnungen von Normen und Standards	583
	10.1.4 DIN-Normen	584
	10.1.5 VDI/VDE-Richtlinien	586
	10.1.6 NAMUR-Richtlinien	589
	10.1.7 Internationale Standards	589
	10.2 Gremien und Verbände	590
	10.3 Messen, Ausstellungen und Veranstaltungen	591
	10.4 Abkürzungen	592
	Literaturverzeichnis	598
	Sachwortverzeichnis	614

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Taschenbuch der Automatisierung

von: Reinhard Langmann

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