produktionsinformatik automatisierungstechnik i 30. mai 2016 · aufbau von automatisierungssystemen...
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Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik und Electronic Government Universität Potsdam
Chair of Business Information Systemsand Electronic GovernmentUniversity of Potsdam
Univ.-Prof. Dr.–Ing. habil. Norbert Gronau Lehrstuhlinhaber | Chairholder
August-Bebel-Str. 89 | 14482 Potsdam | Germany
Tel +49 331 977 3322Fax +49 331 977 3406
E-Mail [email protected] lswi.de
Automatisierungstechnik I30. Mai 2016
Produktionsinformatik
EinführungWirtschaftliche BedeutungAufbau von AutomatisierungssystemenFunktionen und Aufgaben der AutomatisierungProduktautomatisierungAutomatisierungsgerätesysteme und -strukturenProzessperipherie
Automatisieren
Das Ziel der Prozessautomatisierung ist die Verbesserung des Prozesses. Kriterien können unter anderem finanzieller, technischer und personeller Art sein.
Prozess
Definition Prozessautomatisierung
Quelle: DIN 66201; DIN 19233
Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem SystemZiel: Umformung oder Speicherung von Materie, Energie oder InformationenTechnischer Prozess: Prozess, dessen physische Größen mit technischen Mitteln erfasst und beeinflusst werden
Ausrüsten einer Einrichtung, so dass sie ganz oder teilweise ohne Mitwirkung des Menschen bestimmungsgemäß arbeitetVorgehen: Erfassung und gezielte Beeinflussung von Zustand bzw. Verlauf eines Prozesses, so dass die vorgegebenen Aufgaben bzw. Funktionen selbstständig erfüllt werden können
Technisches System mit technischem Prozess
Technischer Prozess
Prozess-Ergebnis-
Informationen
Informationenzur Prozess-
Beeinflussung
Prozess-Eingangs-
Größen
Prozess-Ausgangs-
Größen
Technisches System
MesssignaleStellsignale
Materie-, Energie- oder
Informations-zufluss
Materie-, Energie- oder
Informations-zufluss
Quelle: Lauber/Göhner S. 3
Prozessleittechnik Prozessinformatik/Prozessdatenverarbeitung
Prozessautomatisierung
Grundbegriffe
Fokus: Automatisierung des technischen ProzessesZielvorstellung: Automatisierung der Vorgänge des technischen Systems mit Hilfe entsprechender Imformationsverarbeitungs-einheitenMensch gibt (nur noch) Zielvorstellung ein
Fokus: BedienungZielvorstellung: Leitung (Steuern und Regeln) des Ablaufs des technischen Prozesses durch den Menschen
Fokus: Rechner- und KommunikationssystemZielvorstellung ist AutomatisierungssoftwaresystemEchtzeitsystem
Quelle: Lauber/Göhner S. 5 ff.
Teilgebiete der Automatisierungstechnik
Automatisierungstechnik/Prozessleittechnik
EMSR-Technik
Elektro-technik
Mess-technik
Steuerungs-technik
Regelungs-technik
Aktor-technik
DigitaleInformations-Technologie
MSR-Technik
Quelle: Jelali, Folie 16
Durchsatzleistung erhöhen
Produktqualität verbessern
Personalkosten einsparen
Zuverlässigkeit des Betriebsablaufes erhöhen
Sicherheit des Betriebsablaufes erhöhen
Menschen von schwerer, körperlicher, gefährlicher oder monotoner Arbeit entlasten
Anlagen ressourceneffizient betreiben
Ziele der Prozessautomatisierung
Quelle: Lauber/Göhner S. 8
Einsatzgebiete der Automatisierung
Prozessautomatisierung
Anlagenautomatisierung
Produktionsstätten
Verfahrensautomatisierung
Fertigungssautomatisierung
Kraftwerke
Netze
Kommunikation
Gebäude
Verkehrssysteme
ProduktautomatisierungQuelle: Lauber/Göhner S. 9
Negative Auswirkungen
Auswirkungen der Automatisierung
Positive Auswirkungen
Verbesserung der UsabilityVerringerung des Arbeitseinsatzes bei der Erzeugung besserer, günstigerer und gleichmäßiger ProdukteVerringerung der Gefährdung von MenschenHumanisierung von ArbeitsbedingungenSicherung von Arbeitsplätzen durch Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit
Freisetzen von ArbeitskräftenVeränderung von Arbeitsabläufen und Arbeitsinhalten kann zu der Notwendigkeit der Umstrukturierung von Arbeitsplätzen führenVerringerung der menschlichen KontakteErhöhung des Stresses und Verringerung von entspannten Tätigkeiten
Quelle: Lauber/Göhner S. 11
Herausforderungen bei der Entwicklung von IT und Automatisierungstechnik
Quelle: VDMA a
0
10
20
30
40
50
60
70
Personalverfügbarkeit
Know-how und Technologie-Transfer
Aus- und Weiterbildung
IT-Forschung
1824
48
64
1318
32
47
Ante
il de
r Bef
ragt
en
2012 2015
n = 137
Historische Entwicklung der Automatisierung
bis 1940 Verstreute Mess- und StellgeräteManuelle Bedienung von Stellorganen
1940 - 1950Errichtung von LeitständenMechanische oder elektrische Verlängerung der Mess- und StellorganeZentralisierung der Geräte und Bedienung
1950 - 1960Zentrale Messwarten mit Anzeigegeräten und Fernbedienung(Pneumatische) Regler zum selbstständigen Prozessablauf ohne Eingriff von PersonalBeginn eigentliche Prozessautomatisierung
ab ca. 1960 Verwendung genormter, elektrischer Signale zur Messwertübertrgung und StellgeräteansteuerungZentrale Prozessrechner (zunächst für Dokumentation und Registierung von MEsswerten und Prozessdaten)
ab ca. 1975Verteilte, computerbasierte ProzessleitsystemeProzessführung wird teilweise durch prozessnahe Komponenten übernommenVisualisierung und Bedienung durch ein Rechnernetzwerk
ab ca. 1985Zunehmende Digitalisierung und Miniaturisierung der Komponenten des Prozessleitsystems PLSProgrammierung, Konfiguration und Bedienung zunehmend durch BetriebssystemeSchnittstellen zwischen PLS und Bürocomputern zur Auswertung der Prozessdaten
ab ca. 1995 Digitalisierung der gesamten Prozessleittechnik einschließlich Messegeräte und Aktoren mit Hilfe der Feldbus-Technologie
ab ca. 2000 Hochverteile, vernetzte Systeme mit intelligenten Sensoren und Aktoren, SPS/Controller-basierten PLSZunehmende Standardisierung von Netzen und Protokollen
Quelle: Jelali, Folien 41 ff.
EinführungWirtschaftliche BedeutungAufbau von AutomatisierungssystemenFunktionen und Aufgaben der AutomatisierungProduktautomatisierungAutomatisierungsgerätesysteme und -strukturenProzessperipherie
Größte Unternehmen der Automatisierungstechnik weltweit nach Umsatz im Jahr 2014
Quelle: controlglobal.com 2015
Siemens (Deutschland)ABB (Schweiz)
Emerson (USA)Schneider Electric (Frankreich)
Rockwell Automation (USA)General Electric (USA)
Mitsubishi Electric (Japan)Danaher (USA)
Honeywell (USA)Yokogawa Electric (Japan)Endress+Hauser (Schweiz)
Omron (Japan)Phoenix Contact (Deutschland)
Ametek EIG (USA)IMI (Vereinigtes Königreich)
0 3750 7500 11250 15000
2183
2277
2392
2439
2721
3374
3494
3526
3805
3840
6297
7511
9538
11168
13403
Umsatz in Milliarden US-$
Umsatz der deutschen Automationsindustrie in den Jahren 2010 bis 2014
Quelle: ZVEI a
0
10
20
30
40
50
2010 2011 2012 2013 2014
46,746,647,647,9
41,9
Um
satz
in M
illia
rden
€Umsatz der deutschen Automationsindustrie nach Sektor in den Jahren 2013 und 2014
Quelle: ZVEI b
Messtechnik und Prozessautomatisierung
Schaltgeräte, Schaltanlagen, Industriesteuerungen
Elektrische Antriebe
0 5 10 15 20
9,0
18,4
19,4
8,8
18,8
19,0
Umsatz in Milliarden €
2013 2014
Erwartete Bedeutung von IT und Automatisierungstechnik im Maschinenbau im Jahr 2018
Quelle: VDMA b
Kunststoff- und Gummimaschinen
Robotik + Automation
Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen
Verfahrenstechnische Maschinen und Apparate
Werkzeugmaschinen und Fertigungssysteme
Bau- und Baustoffmaschinen
Druck- und Papiertechnik
Maschinenbau Durchschnitt
Pumpen + Systeme
Textilmaschinen
Antriebstechnik
Fluidtechnik
Allgemeine Lufttechnik
0 1,5 3,0 4,5 6,0
4,3
4,4
4,7
4,8
4,8
4,9
5,0
5,0
5,1
5,2
5,2
5,3
5,7
Bedeutung auf einer Skala von 1 (keine Bedeutung) bis 6 (unverzichtbar) n = 162
EinführungWirtschaftliche BedeutungAufbau von AutomatisierungssystemenFunktionen und Aufgaben der AutomatisierungProduktautomatisierungAutomatisierungsgerätesysteme und -strukturenProzessperipherie
Aufbau eines automatisierten Gesamtsystem
Menschen zur Leitung und Bedienung des technischen Prozesses sowie zum Eingreifen
in Ausnahme-Situationen
Automatisierungssystem
Technisches SystemTechnisches ProduktTechnische Anlage
Prozessbe-einflussung
Prozessbe-ergebnis
Signale aus dem technischem Prozess
Signale zur Steuerung des technischen Prozesses
Quelle: Lauber/Göhner S. 27
Automatisierungspyramide
Management-leitebene
Betriebs-leitebene
Prozess-leitebene
Steuerungs-/Regelungsebene
Sensor-/Aktorebene
Monate -Jahre
Tage - Wochen
Minuten - Stunden
Millisekunden - Sekunden
Zeitliche Anfoderung
Personal- und FinanzplanungKostenanalysenStatistische Auswertungen
BetriebsablaufplanungProduktionsplanungKapazitätsoptimierung
Visualisierung und BedienungProzessüberwachung/-diagnoseProzessoptimierung
Steuern, RegelnVerriegeln, Not-BedienenAbschalten, Schutz
Funktionen
Erfassung und Beeinflussung von Prozessgrößen mit Sensoren und Aktoren
Quelle: Lauber/Göhner S. 39 ff.
Automatisierung als Informationskreislauf
Aktoren
Technischer Prozess
Sensoren
Algorithmus/Verarbeitung
Signale
Signale physikal. Größen
physikal. Größen
z. B. Position, Kraft, Drehmoment
z. B. Druck, Temperatur,Geschwindigkeit
http://www.iht-inc.de/images/produkte_sensoren.jpg
http://www.itwissen.info/bilder/aktoren-foto-ap-petersdorff-dotde.png
Quelle: Jelali, Folie 17
Aufbau von Automatisierungssystemen
Komponenten eines Prozessautomatisierungssystems
Automatisierungseinrichtung (Automatisierungssystem)
Technisches System (Automatisierungsobjekt)
Technische AnlageTechnisches Produkt
Einrichtungen für die Mensch-Prozess-Kommunikation
Fest verdrahtete Einzelgeräte
Automatisierungs-rechner
Kommunikations-system
Schnittstellen zum Technischen Prozess (Sensoren und Aktoren)
Busssystem zur Kommunikation zwischen den Automatisierungsrechnern
Prozessnahes Kommunikationssystem (Feldbus)
Automatisierungs-Softwaresysteme
Hardwaresystem
Rechner-Hardware Prozess-Peripherie System-SoftwareAnwender-Software
Quelle: Lauber/Göhner S. 24
Automatisierungscomputer
Aktoren/Stellglieder
Sensoren/Messgeräte
Komponenten eines Automatisierungssystems
Automatisierungssoftware
Erfassung von Informationen über den aktuellen ProzesszustandErfassung analoger physikalischer GrößenMesswertverarbeitung
Speicherprogrammierbare Steuerungen SPSMicrocontrollerPersonal Computer bzw. Industrial Personal ComputerProzessleitsystem
Umsetzung von Steuerungsinformationen zur Beeinflussung von ProzessgrößenErzeugung der Stellgrößen (meist durch Stellventile/ -geräte oder AntriebeStetige vs. binäre Verstellung
Programme, die zur Ausführung der AutomatisierungAnwendungssoftware und Betriebs-/Systemsoftware
Quelle: Lauber/Göhner S. 27 ff.
Online- und Open-Loop-Betrieb Online- und Closed-Loop-Betrieb
Auch bei einem vollautomatisierten Betrieb kann der Mensch – bspw. bei der Sollwertvorgabe oder im Störfall – Änderungen vornehmen
Offline-Betrieb
Automatisierungsgrad
Niedriger AutomatisierungsgradZeitliche und gerätemäßige Entkopplung von Prozess und RechnerManuelle Fahrweise durch Personal
Mittlerer AutomatisierungsgradZeitliche und gerätemäßige Kopplung von Prozess und RechnerDatenerfassung, Protokollierung, Prozessvisualisierung durch RechnerHohe Anforderungen bzgl. EchtzeitverhaltenAnlagenfahren durch Bedienpersonal
Hoher AutomatisierungsgradZeitliche und gerätemäßige Kopplung von Prozess und RechnerSteuerung, Regelung, Datenerfassung, Protokollierung, Prozessvisualisierung durch RechnerHohe Anforderungen bzgl. EchtzeitverhaltenBedienpersonal im Normalfall nur zur Überwachung bzw. Eingriff in Notfällen
Quelle: Lauber/Göhner S. 15
EinführungWirtschaftliche BedeutungAufbau von AutomatisierungssystemenFunktionen und Aufgaben der AutomatisierungProduktautomatisierungAutomatisierungsgerätesysteme und -strukturenProzessperipherie
Prozessüberwachung
Ziel Bereitstellung von Informationen über den Prozess für das Betriebspersonal oder für die automatische Prozessdatenverarbeitung und -auswertung.
Typische Teilaufgaben
• Anzeige aller wichtigen Prozessgrößen in geeigneter Form, heute zumeist als Display• Protokollierung ausgewählter Prozessgrößen• Signalisierung der Verletzung zulässiger Grenzwerte• Berechnung zusätzlicher Größen, insbesondere nicht-messebarer Prozessgrößen während des
Betriebs der Anlage
Prozess
Zustands-beobachter
gemessene Ausgangsgrößen
Eingangs-größen
Störungen
geschätzte (interne) Zustände
Informationsfluss
Quelle: Lauber/Göhner S. 40
Prozesssicherung
Ziel Gewährleistung eines sicheres Prozessablaufes durch die Vermeidung gefährlicher Prozess- und AnlagenzuständeSchutz des MenschenSicherstellung der Langlebigkeit der Anlage und der Produktqualität
Typische Teilaufgaben
• Verriegelung im Prozessablauf zum Erzwingen einer bestimmten Reihenfolge von Handlungen
• Noteingriffe bzw. automatische Abschaltung von Maschinen oder Anlagen(-teilen) bei sicherheitsgefährdenden Grenzüberschreitungen
• Erhöhung der Zuverlässigkeit des Automatisierungssystems durch Installation von Redundanzkomponenten
• Anwendung spezieller Prüf- und Plausibilitätsalgorithmen, z. B. zur Erkennung/Vermeidung von Fehleralarmen
• Realisierung flexibler Reaktionen auf tatsächlich eingetretene gefährliche Prozess- oder Anlagenzustände zur Vermeidung von Zeitabschnitten völligen bzw. langen Stillstands
Quelle: Lauber/Göhner S. 40
Steuerung
Prozessstabilisierung
Regelung
Messung des Ist-Wertes einer Größe und Angleich an die Soll-Größe durch Nachstellen
Beeinflussung einer Maschine oder Anlage durch StellgrößeKeine Rückwirkung von Steuergröße auf Stellgröße
http://www.sbz-monteur.de/wp-content/uploads/2013/08/Steuerung.bmp
http://www.sbz-monteur.de/wp-content/uploads/2013/08/Regelung.bmp
Quelle: Lauber/Göhner S. 40
Prozessführung
Ziel Realisierung eines logisch oder zeitlich vorgegebenen Prozessablaufes und damit beabsichtigte Änderung von Prozessgrößen
Typische Teilaufgaben
• Binärsteuerung zur Realisierung von Verknüpfungen, Zeitplan- und Ablaufsteuerungen etc.• Steuerung von Anfahr-, Abfahr- sowie Umsteuerungsvorgängen in kontinuierlichen Prozessen• Koordinatonssteuerungen von Teilprozessen größerer Produktionssysteme
Quelle: Lauber/Göhner S. 40
Prozessoptimierung
Ziel Ermittlung optimaler Arbeitspunkte
Typische Teilaufgaben
• Statische Prozessoptimierung: Bestimmung und Erreichung optimaler Arbeitspunkte für stationäre Betriebszustände
• Dynamische Prozessoptimierung: Berechnung und Realisierung optimaler Übergangsvorgänge von einem stationären Arbeitspunkt zu anderen
Quelle: Lauber/Göhner S. 40
Vorhersage des Systemverhaltens
Voraussetzung • Kenntnis des Systemzustandes zum Start des Vorhersageintervalls• Hinreichend kleine Störung
Typische Teilaufgaben
• Entwurf von Steuerungen• Operative Steuerungsaufgaben bei denen das Bedienpersonal die Steuerentscheidung in
Abhängigkeit der aktuellen Arbeitsweise der Anlage fällt.
Prozess
Prädiktor
Eingangs-größen
gemessene Ausgangsgrößen
PräzisierteAusgangsgrößen
Quelle: Lauber/Göhner S. 40
EinführungWirtschaftliche BedeutungAufbau von AutomatisierungssystemenFunktionen und Aufgaben der AutomatisierungProdukt- und AnlagenautomatisierungAutomatisierungsgerätesysteme und -strukturenProzessperipherie
Anlagenautomatisierung
Produkt- vs. Anlagenautomatisierung
http://werkzeug-neu.de/images/content/produkte_werkzeugmaschinen_drehmaschinen_gdw_cnc.jpg
Produktautomatisierung
Technischer Prozess in einem Gerät oder einer einzelnen MaschineAutomatisierungscomputer in Form von Mikrocontrollern oder SPSWenige Sensoren und AktorenSerien- oder MassenproduktionBsp.: Messgeräte, Werkzeugmaschinen
Technischer Prozess in einer – oft räumlich ausgedehnten – industriellen AnlageUmfangreiche und komplexe AutomatisierungsfunktionenVerwendung von SPS-, PC- oder ProzessleitsystemenSehr viele Sensoren und AktorenMittlerer bis hoher AutomatisierungsgrafEinmal-SystemeBsp.: Fertigungstechnische Anlagen, Hochregallager
Quelle: Lauber/Göhner S. 22 ff.
http://www.pharma-zeitung.de/newspics/967ad0dd0687.jpg
Struktur einer einfachen Produktautomatisierung
Benutzer bzw. Bediener
Mikrocontroller
Technisches Produkt
Sollwerte Anzeigen
Stellgrößen Prozess-ergebnisse
Benutzer bzw. Bediener
Mikrocontroller
Waschmaschine
Waschprogramm,Schleuder-Drehzahl
LCD (Waschzeit,Bedienhinweise)
Motordrehzahl, Heizstabsteuerung
Temperaturwert,Drehzahl
Quelle: Lauber/Göhner S. 24
Struktur einer komplexen Produktautomatisierung
Benutzer bzw. Bediener
Mikrocontroller
Mikrocontroller 1
Teilsystem 1
Mikrocontroller 2
Teilsystem 2
Mikrocontroller n
Teilsystem n
.....
.....
Technisches Produkt
Bus-System
Feld-Bus
Anlagen-Bus
Fabrik-Bus
Quelle: Lauber/Göhner S. 25
EinführungWirtschaftliche BedeutungAufbau von AutomatisierungssystemenFunktionen und Aufgaben der AutomatisierungProduktautomatisierungAutomatisierungsgerätesysteme und -strukturenProzessperipherie
Mikrocontroller
Personal Computer PC /Industrial Personal Computer IPC
Speicherprogrammierbare Steuerung SPS
Automatisierungscomputer
Prozessleitsysteme PLS
Einsatz von Geräten mit ZertifizierungenProprietäre Hardware mit oft langfristigen Zusagen für die ErsatzteillieferungVerknüpfung binärer Signale in einfacher Darstellungen
„Ein-Chip-Computer“ mit niedrigem PreisHochintegrierte BausteineVerwendung für MassenprodukteHohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer
Programmierung in HochspracheEinsatz von Echtzeit-Betriebssystem als Stand Alone oder als Ergänzung möglichMögliche Einsatzgebiete: Prozess-Visualisierung, -Auswertung, -Überwachung, Leitstandsaufgaben
Verteilte, über Bus-Systeme verbundene RechnersystemKopplung mit SPS-RechnernEinsatz vorkonfigurierter, vom Hersteller des PLS entwickelten Programmbausteinen Konfigurierung durch Anwender
Quelle: Lauber/Göhner S. 66 ff.
Mikrocomputer Mikrocontroller
Unterscheidung von Komponenten
Mikroprozessor
Prozessor auf einem Mikroelektronik-Chip
Alle Komponenten auf einem Mikroelektronik-Chip, d. h. Prozessor, Speicher, Schnittstellen zur Peripherie
Automatisierungscomputer bzw. ein Automatisierungs-Computersystem auf einem Chip
http://www.mikroprozessor.info/images/mikroprozessor.jpg http://www.fahrzeug-elektrik.de/irdd.jpghttp://www.elektronik-labor.de/Lernpakete/TPS/Platine2.jpg
Quelle: Lauber/Göhner S. 69 ff.
Zentraler Automatisierungs-
computer
Teil-Prozess 1 Teil-Prozess 2 Teil-Prozess n. . .
Technischer Prozess in einem technischem System
Teil-Prozess 1 Teil-Prozess 2 Teil-Prozess n. . .
Automati-sierungs-
computer 1
Automati-sierungs-
computer 2
Automati-sierungs-
computer n. . .
Zentrale vs. dezentrale Automatisierungsstruktur
Zentrale Automatisierungsstruktur Dezentrale Automatisierungsstruktur
Quelle: Lauber/Göhner S. 85
Kriterien für den Vergleich von Automatisierungsstrukturen
KostenTeilever-
fügbarkeit
Flexibilität bei Änderungen
Koordinierung von Teilprozessen
Optimierung des Gesamtprozesses
Usability
Transparenz
Störfall-lokalisierung
Wartbarkeit
Quelle: Lauber/Göhner S. 89 ff
Hybride Automatisierungsstruktur
Leit-einheit
Koordinierungs-einheit 1
Koordinierungs-einheit 2
Koordinierungs-einheit n
Dezentrale Automatisie-
rungseinheit 1
Dezentrale Automatisie-
rungseinheit 2
Dezentrale Automatisie-
rungseinheit n
Teilprozess 1 Teilprozess 2 Teilprozess n
Technischer Prozess
. . .
. . .
. . .
zentrale Leitebene
Kooridinierungs-ebene
prozessnahe Ebene
Anfo
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Ver
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Kom
plex
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Quelle: Lauber/Göhner S. 87
Anforderungen an Verfügbarkeit und Verarbeitungsleistung
Anforderungen an die Verfügbarkeit
erforderliche Verarbeitungsleistung
Schu
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Führ
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Kenn
wer
t-be
rech
nung
Opt
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rung
prozessnahe Ebene Koordinierungs-ebene
LeitebeneQuelle: Weyrich, Folie 111
Erhöhung der Verfügbarkeit
Gegenseitige Aushilfe bei hoher Belastung
Hohe Zuverlässigkeit durch Fehlertoleranz
Ziele verteilter Automatisierungssysteme
Einfache Erweiterbarkeit
Ausfall eines dezentralen Computers führt nicht zu GesamtausfallEingrenzung des Fehlers durch Rekonfiguration
Ermöglicht durch schnelle Wartung und InstandhaltungGegenseitige Überwachung mit Fehlerdiagnose
Selbstständige Anpassung der AufgabenverteilungReduzierung der Reserven der einzelnen Einheiten
Neue Komponenten können leicht in ein bestehendes System integriert werden
Verteilte Automatisierungssysteme werden durch die Verknüpfung dezentraler Automatisierungseinheiten mit einem übergeordneten Rechner über ein Kommunikationssystem ermöglicht.
Quelle: Lauber/Göhner S. 96
Kriterien für die Wahl eines Kommunikationssystems
Verkabelungskosten
Kopplung unterschiedlicher Kommunikationspartner
Mögliche Datenüber-tragungsraten
Sichere Informations-übertragung
Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit
Flexibilität
Reaktionszeiten bei Übertragungsanforderungen
Anforderungen an Kommunikationspartner
Standardisierung von Schnittstellen
Quelle: Lauber/Göhner S. 89 ff
StufenPrinzip
Das Ziel fehlertoleranter Strukturen sind Systeme, die beim Auftreten von Fehlern in einzelnen Komponenten als Ganzes funktionsfähig bleiben.
Fehlertolerante Strukturen
Volle FehlertoleranzVerringerte LeistungsfähigkeitÜbergang in einen sicheren Zustand
Aufbau eines Systems aus redundanten Hard- und Software-Modulen Erhaltung des Funktionsfähigkeit des Systems beim Auftreten eines Fehlers
Quelle: Lauber/Göhner S. 103
Dynamische FehlertoleranzStatische Fehlertoleranz
Statische vs. dynamische Redundanz
Alle Module (also insb. auch die redundanten) sind ständig im Einsatz
Einsatz der redundanten Module erst nach einem Ausfallblinde Redundanz: redundante Module sind im fehlerfreien Fall nicht tätigfunktionsbedingte Redundanz: redundante Module laufen im fehlerfreien Fall im Stand-by-Modus
Quelle: Lauber/Göhner S. 102
Software-Redundanz
Messwert-Redundanz
Das Ziel der Redundanz ist es, Systeme aufzubauen, die auch bei einem Fehler ihre Funktionsfähigkeit behalten.
Hardware-Redundanz
Formen der Redundanz
Zeit-Redundanz
Ziel: Erkennung von Ausfällen der HardwareEinsatzprinzip: m-von-n-RedundanzRealisierung der Redundanz durch Doppel- oder Drei-Rechner-Strukturen
Ziel: Erkennung von Fehler in der SoftwareMehrfaches Vorhandensein von Software nicht sinnvoll, da nicht Ausfälle, sondern Fehler das Problem sindDiversität: Verschiedener Aufbau von Programmteilen, wobei gleiche Eingangsdaten gleiche Ergebnisse liefern
Aufnahme von mehr Messwerten als eigentlich benötigenredundante Messgrößenabhängige Messgrößen
Mehrfache Abfrage des gleichen Messwertes in bestimmten Zeitabständen
Quelle: Lauber/Göhner S. 102
EinführungWirtschaftliche BedeutungAufbau von AutomatisierungssystemenFunktionen und Aufgaben der AutomatisierungProduktautomatisierungAutomatisierungsgerätesysteme und -strukturenProzessperipherie
Kopplung Automatisierungscomputer mit technischem Prozess und zugehörigen Schnittstellen
Technischer Prozess in einem technischem System
Sensoren und Aktoren
E/A-Knoten
E/A-Knoten
Prozess-, Singnal-Ein-/Ausgabe
Bus-Koppler Bus-Koppler
Automatisierungs-Computer (z. B. SPS, PC)
Prozessgrößen-Schnittstelle (physikalische Größen)
. . .
Sensor/Aktor-Schnittstelle (elektrische
oder optische Signale)
Prozessperipherie-Schnittstelle (elektrische
oder optische Signale)Feldbus-Schnittstelle
Rechner-Ein-/Ausgabe-Schnittstelle (Rechner-Systembus)
Schnittstelle zu den höheren Ebenen der Computer-Hierarchie
Aktor/Sensor-Bus
Feldbus
Quelle: Lauber/Göhner S. 68
Informationsfluss bei der Prozess-Signaleingabe
Umwand-lung
Durch-schaltung
Verstärkung
A/D Um-setzung
Transfor-mation
Filterung
Plausibili-tätsprüfung
physikalische, im allgemein nicht elektrische Größen im technischen Prozess
elektrische oder optische Prozess-Signale
adressierter und durchgeschaltete Prozess-Signale
auf höheren Spannungspegel verstärkte Prozesssignale
Rohwert
angepasste Fertigwerte
gefilterte Fertigwerte
auf Plausibilitätgeprüfte Fertigwerte
entfällt bei der Erfassung binärer oder digitaler Prozess-Signale
FertigwertlisteQuelle: Weyrich, Folie 139
Aktoren
Durch das Zusammenspiel von Sensoren und Aktoren können regelnde Automatisierungssysteme realisiert werden.
Sensoren und Aktoren
Sensoren
Erfassung physikalischer Prozessgrößen sowie deren Umwandlung in einer zur Weiterverarbeitung geeignete Form
Umsetzung der vom Automatisierungscomputer vorgegebenen Informationen in Stelleingriffe in dem technischen Prozess
http://www.iht-inc.de/images/produkte_sensoren.jpg http://www.itwissen.info/bilder/aktoren-foto-ap-petersdorff-dotde.png
Quelle: Weyrich, Folie 118 ff.
Control Global. n.d. Größte Unternehmen der Automatisierungstechnik weltweit nach Umsatz im Jahr 2014 (in Millionen US-Dollar). Statista. Zugriff am 14. Mai 2016. Verfügbar unter http://de.statista.com/statistik/daten/studie/276935/umfrage/wichtigste-unternehmen-weltweit-im-bereich-automatisierungstechnik/.
Deutsches Institut für Normung: DIN 19233: Leittechnik - Prozeßautomatisierung - Automatisierung mit Prozeßrechensystemen, Begriffe
Deutsches Institut für Normung: DIN 66201: Prozeßrechensysteme; Begriffe
Jelali, M.: Skript: Prozessautomatisierungstechnik, Wintersemester 13/14, Fachhochschule Köln.
Lauber, R.; Göhner, P.: Prozessautomatisierung I, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg, 1999.
VDMA b. n.d. Maschinenbau: Worin sehen Sie die größten Herausforderungen bei der Entwicklung von IT und Automatisierungstechnik?. Statista. Zugriff am 28. Mai 2016. Verfügbar unter https://de.statista.com/statistik/daten/studie/426870/umfrage/problemfelder-bei-der-entwicklung-von-it-und-automatisierungstechnik-im-maschinenbau/.
VDMA b. n.d. Erwartete Bedeutung von IT und Automatisierungstechnik* im Maschinenbau im Jahr 2018. Statista. Zugriff am 28. Mai 2016. Verfügbar unter http://de.statista.com/statistik/daten/studie/426769/umfrage/erwartete-bedeutung-von-it-und-automatisierungstechnik-im-maschinenbau/.
Weyrich, M.: Skript Automatisierungstechnik I, Sommersemester 2015, Universität Stuttgart, Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik.
ZVEI a. n.d. Umsatz der deutschen Automationsindustrie in den Jahren 2010 bis 2014 (in Milliarden Euro). Statista. Zugriff am 14. Mai 2016. Verfügbar unter https://de.statista.com/statistik/daten/studie/309929/umfrage/umsatz-der-deutschen-automationsindustrie/.ZVEI b. n.d. Umsatz der deutschen Automationsindustrie nach Sektor in den Jahren 2013 und 2014 (in Milliarden Euro). Statista. Zugriff am 14. Mai 2016. Verfügbar unter https://de.statista.com/statistik/daten/studie/310003/umfrage/umsatz-der-deutschen-automationsindustrie/.
Literatur