Post on 09-Oct-2019
Industrielle Messtechnik
Prof. Dr.‐Ing. Michael Kaufmann Industrielle Messtechnik
Ziele
Überblick über die Messtechnik und Durchführung von Messungen im industriellen Umfeld
Anwenden von Kriterien für die Auswahl von Messverfahren und –geräten für den industriellen Einsatzg
Fähigkeit zur selbständigen Auswahl von Messverfahren und –geräten
Kenntnisse über den Aufbau von Messeinrichtungen im industriellen Umfeld
Üb bli k üb S f M d fÜberblick über Software zur Messdatenerfassung
Prof. Dr.‐Ing. Michael Kaufmann Industrielle Messtechnik
Industrielle Messtechnik
Software zur Kommunikation Messdatenerfassungund ‐auswertung
Kommunikation (Datenübertragung)
Ausgewählte Messverfahren
Geräte der Messdatenerfassung und
‐auswertung
Aufbau von Messsystemen
Aufbau von Automatisierungs‐
systemen
Basis: Grundlagen der Messtechnik 1 und 2
Prof. Dr.‐Ing. Michael Kaufmann Industrielle Messtechnik 3
Automatisierungssystem
MenschBeobachten, Bedienener
“„P
artn
e
Leiteinrichtung,Leitsystem“
KommunizierenRück-Koppl
Vor-gaben
ung:
3 „Leitsystem“
VPS / SPS / PLS,einschließlich Busse,
/
Steuern, Regeln, ÜberwachenKoppl. gaben
atis
ieru Ein / Ausgaben
Ergebnis-Größen
Messen Schützen
Aut
oma
Technischer Prozeß
Einfluss-Größen
Ergebnis Größen
A Technischer Prozeß
Material -,Energie - oder
Material -, Energie -
Produzieren
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gInformations - Zufluss
goder Informations - Abfluss
© Kleiner, Erich, DHBW Mannheim
Regeln und Steuern
Führungs - Regeln Bedien- Steuernggrösse(Sollwert) W
Regeln
Regelgrösse Stell -
SR
Befehl,Bedingung,Rück-meldung
Steuern&
f(X, W)g g
(Istwert) X
Messen Stellen
grösse Y
Messen Stellen
meldung
nzip Stell-
Prozess Prozess
n,
Prin Befehl
PM
PZU OFFEN ZU AUFI I
el: M
esse
n, P
roze
ss
PM
Bei
spie
Stel
len
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Überwachen
ngen
ÜberwachenGrenzen(f t )
Mel
dun(fest, var.)
Istwerte
M
Messen
PProzess
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Ebenen‐Modell
UFühren des
Dispositiv
Unternehmens - /M tU.-
Leit-Ebene
Führen desUnternehmens
Management -Daten
Führen desBetriebes
Betriebs-Leitebene
Info -StromBetriebs - /
Produktions -D t
Führen des Prozess-Prozess -
Daten
Prozesses
Operativ
Leitebene
Einzel - Leitebene
Gruppen -Prozess -Daten
Roh Material Fertig - Material
Material-Strom
P
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Roh - Material Fertig - MaterialProzess© Kleiner, Erich, DHBW Mannheim
Messkette
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Analoge Messungen, allgemein
Analog- Überw - Analog- Überw.-Analog Überw.Signale Signale
s(4
..2
0)
rsc
hr.
)
s(4
..2
0)
rsc
hr.
)
g
Signale Signale
ch
,E
rds
chlu
ss
(Be
reic
hsü
be
r
ch
,E
rds
chlu
ss
(Be
reic
hsü
be
r
f
Le
itu
ng
sbru
cM
U-
De
fek
t
f
Le
itu
ng
sbru
cM
U-
De
fek
t
+24 V
Ü
+24 V mA
Ü
4..
20
mA+24 V +24 V
0/
4..
20
m
=
x
=
x
z.B.P/ P
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(Mess-blende)
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Temperaturmessungen
A l Üb )
(4..2
0)sc
hr.
)berw
achu
ng)Analog- Überw.-
Signal Signale
s(4
..20)
ers
chr.)
überw
ach
ung
)
s(4
..20)
ers
chr.)
,E
rdsc
hlu
ssB
ere
ich
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Gra
die
nte
nüb
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ste
m
h,Erd
schl
uss
(Be
reic
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(Gra
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ch,E
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hlu
ss(B
ere
ichsü
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eitu
ngsb
ruch
MU
-D
efe
kt(B
Th.E
l.-B
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(G
ee
ring
/S
erv
i
Leitun
gsb
ruc
MU
-D
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Th.
El.-B
ruch
Lei
tungsb
ruc
MU
-D
efe
kt(
ÜL M T
Vom
Engin
e
Ü
=
Ü
=4..2
0m
A+24 VT(mV)= T(R)=
+24 V
Thermo- elemente
=T
eic
hsst
elle
npen
satio
nWiderst
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mit / ohne Messumf.
MU im„Kopf“
=
Ver
gle
Kom
p Widerst.Therm.
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Puls‐ und Digitaleingaben
uss
kt)
h,
Erd
schl
u
enso
rde
fe
#
T TT
itung
sbru
ch
defe
hler
(Se
n
Ü
Lei
Co
d
Ü
+24 V +24 V
#
Winkel,Weg,Menge(Zähler
Drehzahl,Menge,WegMenge
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(Zähler -Code)
Menge(Pulse)
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Prinzip Messwertaufbereitung
Leit-
Einrichtung
- CPU
Ort: Teilfunktion: Beispiel: Druckmessung Erläuterungen
Analogsignal Grenzsignale Überwachungssignale
GrenzwerteHysterese
Grenzsignal-Bild
z.B. 4 Grenzsignale:
<MIN, <TIEF, >HOCH, >MAX
Umschaltung bei Störung,Abschalt.durch Wartung
Ersatzwert
Simulationswert
fKorrektur(dP f. F,L)
Hysterese
Aufbereitung
Simulation
Störungsbehandl.
Simulation (durch Wartung)
Bildung
Umschaltung auf parametrierten
Festwert
Umschaltung auf variablen
Simulationswert
MIN, TIEF, HOCH, MAX
- Eingabe-Gerät
Auswertung (I -> U),Überwachung (Messbereich)
>MAX
<MIN Bei 4 .. 20 mA: < 4 mA = Drahtbruch!
fDämpfung (wenn nötig)
fLinearisierung (T)
Grenze CPU / Eingabegerät
Produkt - abhängig!
Bereichsüberschreitung
Messwert
# uA/D -WandlÜberwachung (Messbereich)
Spannungsversorgung,Absicherung / Entkopplung
Signalverteilung / Rangierung,
Versorgung getrennt oder im Eingabegerät
Zuordnung zwischen Feld-Anordnung
und Eingabegeräten
Shunt+24V
Multi-plexer
Wandl.
Prozess
(„Feld“)
Umformung inelektrische Größe,S d d (0/4 20 A)
I
„eingeprägter“ Strom: Leitungswiderstand - unabhängig
Verkabelung
„2 - Leiter -
Messumformer“
Umformung inelektrisch erfassbare Größe
Weg
Mess-
dose
Standard: (0/4 .. 20 mA)
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Nicht- elektrische GrößeDruck (P)
„Impulsleitung“
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Binärsignalbehandlung
Grenz-Wert
D h I
g
Sim.-Wert
Durch In-standhalter(Bediener)
rsc
hre
itu
ng
Wer t
Ersatz-
Störung
reic
hs
üb
er
F(x)
Wert
ÜKorrektur,z.B. fürD hfl
Be
r
P P TDurchfluss-Berechnung
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Mehrkanalige Binärsignale
Sicheres MeldungBinärsignal
Sicheres MeldungBinärsignal
)
&
=„G
UT
“)
z.B.2 v 3 1 v 3
=
wen
n„1
“
nal
1n
al2
nal3
na
l1na
l2
(w
Ka
nK
an
Ka
n
Ka
nK
an
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Analogsignalverarbeitung, Temperatursignalverarbeitung
Grenz-W t
Grenz-Wert
Sim.-W t
Wert
Durch In-standhalter(Bediener)
sch
reit
un
g
Sim.-
Wert
Durch In-standhalter(Bediener) ch
reitu
ng
Wer t
Ersatz-Wert
Störunge
reic
hs
üb
ers Wert
Ersatz-Wert
Störung
ere
ich
sü
be
rsc
F(x)
P P T
Wert
ÜKorrektur,z.B. fürDurchfluss-Berechnung
Be
F(x)
Wert
Ü
Korrektur,z.B. fürLineari-sierung:
Be
Berechnung g
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Mittelwertbildung
Sicheres MeldungAnalogsignal
Sicheres MeldungAnalogsignal
Mittel-Zuläss.Diff
Mittel-Wert mitK l Ab h lt
1 Kan. falsch2 Kan. falsch
1 2
MittelWert Diff.
Differenz
al1
al2
al3
Kanal - Abschaltung
Ka
nal
Ka
nal
Ka
naK
ana
Ka
naProf. Dr.‐Ing. Michael Kaufmann Industrielle Messtechnik
SPS Siemens SIMATIC S7‐300
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SPS
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SPS Programmablauf
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Programmstruktur
Baum Darstellung Wirkungsweise Ablauf
Organisationsbaustein
Programmbaustein 1
Organisationsbaustein
Aufruf von Programmbausteinen:
Programmbaustein 1z B :
Baum - Darstellung Wirkungsweise Ablauf
0 10 20 30 40 50 60 70 80 ms
1 t1 1 1 1
2 2Programmbaustein 1
F kti b t i
Programmbaustein 1
Programmfreigabe
Zykluszeit
- Einlesen Eingangswerte
- Programmabwicklung
&
z.B.:120ms Einlesen von
- Eingabegeräten,
- internen Speichern,
K l deit s
„frei“
Funktionsbaustein
Funktionsbaustein
Funktionsbaustein
&
>1
S
R
- Koppler zu anderenOrganisationsbausteinen /Systemen
Rechenze
z.B
.10
ms
... ...
- Schreiben Ergebniswerte
Schre iben in- Ausgabegeräte,
- interne Speicher (Merker)
- Koppler zu anderenOrganisationsbausteinen /
Ergebniswert
Programmbaustein 2
Programmfreigabe
Zykluszeit
- Einlesen Eingangswerte
- Programmabwicklung
Programmbaustein 2z.B.:50 ms
Organisationsbausteinen /Systemen
F k i b i eit s
CPU - „Last“:
R h it
...
A b E b i t
Funktionsbaustein
Funktionsbaustein
Funktionsbaustein
Funktionsbaustein
... Rechenze
z.B
.15
ms
P ro Funkt.Baustein :Rechenzeit
Zykluszeit
Beispiel:Tr1Tz1
Tr2Tz2
+
10 15
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- Ausgeben Ergebniswerte 1020
+= 1550
= 0,8 (=80%)
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Programmablauf
0 10 20 30 40 50 60 70 80 ms Rechen- Zyklus-Zeit: Zeit:
1 t1 1 1 1
2 2
Zeit: Zeit:Progr. 1: 10 ms 20 ms
Progr. 2: 15 ms 50 ms
„frei“Progr. 2: 15 ms 50 ms
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Binäre Elemente (1) Allgemein: Binäre Verknüpfungsfunktionen: (1 Bit - ) Speicher:Form: Rechteck,(„Kontur“) Seiten beliebigFunktion: Symbol,
Name oder eindeutigeAbkürzungen
&
S 1
UND
ODER
E1 AE2
&E1E2A
E1 AE2
>1E1E2
R/S - Flip-Flop (Rücksetzen / Setzen) Grundsymbol
S R
SR
AND
Wirkungs-Richtung: von links nach rechts, oder von oben nach unten, abweichend: Bez. od. PfeilSignal-
R1
Exclusiv- ODER
E21 E2
A
E1 AE2
=1E1E2A
??Signal-Definition nach Einschaltender Speisespannung
S SI = 0
Ausg.
gdefinition: Dargestellte Funktion gilt für Logik- Zustand „1“ (= „GUT“, „WAHR“) alternativ auch mit den physikalischen Signalpegeln „H“/„L“ (H: höherer Wert)
&„1“„1“
„1“Äqui-valenz( = Antivalenz)
Kombinierte Binäre Funktionen:
S R
SR
?Definition der Dominanz(„Vorfahrt“, wenn S & R = 1)
Ausg.E1 AE2
=E1E2A
g p g „ „ ( )
Signaleinwirkung ( = „1“ statisch:E1 A
E1E2
Kombinierte Binäre Funktionen:NAND E1 A
E2& E1
E2A
E1 A E1
(„ , )
S 1R1
SR
(über die Nr., hier „1“, ZuordnungAusg.
dynamisch: (hier E2 auf „Flanke“)
E1 AE2
& E2A
E1 A&E1E2
NOR
„Sperr-UND“
E1 AE2
>1E1E2A
E1 A E1
( , „ , g des dominierenden Eingangs)
S NV
Ausgang behält Zustand auch nachSpannungs - Ausfall(Non Volatile)
negierend:E2
& E2A
E 1 AEA
E1 AE2
&E1E2A
E 1 A& =
&>1
Kombinationvon Konturen
Alte Darstellung1 01 1 Lage nach Spann. EIN
RDarstellung desnegierten Ausg.
F i b 0 EN
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>1>1von Konturen
(Platzgründe) Andere FlipFlops wie „Master-Slave“und „J-K“ kommen kaum vor.
Lage nach Spann. EIN
ENFreigabe: 0 an EN setzt alle Ausg. Auf 0
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Binäre Elemente (2) Zeitglieder (binär) Digitale FunktionenAstabile ElementeEinschalt - Verzögerer
2s 0Z.B. 2sEingang E
E
gBinär - Zähler, 14-stufig
A
Taktgenerator allgemein gesteuert / !G = synchronisiert
GG G&
= CTR14 + 0CT=0 1
2
vorw. ZählenRücksetzen
Bit-Ausgänge,(Bei IC - Dok.E
TA
Ausschalt - Verzögerer
0 2sZ.B. 2s A
Wandler Element mit Hysterese (Analog - binär)
EHyst.
2 3 4...13
CT ggf.nicht alle vorhanden)
Ni h i d N b i PLS i ll
ETA
0 2sEingang E Afür „kleiner“)(
Codierer, Code - Umsetzerallgemein Art der Umsetzung.
( / )
ZAEE AEW
Nicht in der Norm, aber in PLS sinnvoll:Zähler auf Endwert EW
ZähleingangEndwert
Endwert erreicht(Puls-)
Trigger / Blocker / One-ShotMonostabiles Element
nachtriggerbar
2sZ B 2s
X / Y
. . .
. . .
- im Kennzeichen (X/Y) und Eing. / Ausg. Bez.- oder Tabelle
DEC/BCD Beispiel:von Dezimal
Schieberegister, 8 bit, serieller Ein / Ausg.
RRücksetzen
SRG81D ADateneingang (1) Daten -
A
ETA
2sZ.B. 2sEingang E A
0 11 2.. 49 8
. . .
von Dezimal nach BCD
Multiplexer / Demultiplexer (spiegelb )
1D A C1/
g g ( )„Schiebe-Eingang“(übernimmt mit 1 Flanke bit von D1)
Ausgang
Hierbei oft verwendet: „Steuer - Block“
Betriebsart „Abbruch“(nicht in der Norm):
E
1 nicht nachtrigg.barMultiplexer / Demultiplexer (spiegelb.)
MUX010
G --04
.
Beispiel: 1 aus 4 schaltet c .. f auf g (G: Abhängigkeit der nachf. Ziffern (Eing.0 - 4)
abcd
„EN
Steuert darunterangeordneteFunktionsblöcke
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ETA
..4
. . ( g )
von G-Eing. 0 und 1def
g
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Analoge Elemente, Norm und PLS ‐ Funktionsbausteine Analoge Funktionen (Beispiele) wie in PLS - Funktionsbeschreibungen verwendetAllgemein:Signalbereich: -100 ... +100 %
E*: Eingangszahl erweiterbar
Summierer(Addierer) E1 A
E2*
Form, Wirkungsrichtung: wie bei binären ElementenFunktion: F(x1 .. Xn)
x1. .
A
Zeitglieder (analog)Verzögerungsglied
E AEingangPT1
E
( )nxxfA ..1= *21 EEA +=
Multipli-zierer
E1 AE2 x
S i
%10021 EEA •
=
xn.
Beispiel: XYXY
E AKpT1
EingangProp. Verst.Verz. Zeit
A T1
EIntegrierer
AYXA •=
Summier-Multipli-zierer
E1 AE2*K
Dividierer E1 A/ %1001•=
EA
Analoger Eingang / Ausgang
U
# #Digitaler
E ATiR
EingangIntegrationszeit. Rückstellung
INT
A
( )*21 EEKA +=
E1 AE2 / %100
2•=
EA
Radizierer E A
# #DigitalerEingang / Ausgang
(nicht in Norm, aber üblich: binärer Eingang / Ausgang)BIN in Umsetzern für binär
E AKpT1
EingangProp. Verst.Diff Zeit
PDTE
AKD
Differenzierer
100|| •= EA
MINE1 AE2*
E1E2*
Kleinstwert-Glied(ebenso: Größtwert) A
EAb t t
// isolierend (z.B. U // U)
XAnaloger Operand(vorzugsweise X, Y, aber auch andere)
Zm Eingang Zm „zwingt“
Umschalter
T1Kd
Diff. ZeitDiff. Verst.
KDKP
Ti UMSX1
=oder: S
ABSE1 A
E
A
Absoutwert-Bilder m
Eingang Zm „zwingtallen mit m markiertenAusgängen seinenWert auf (m: Zahl)
EAOG
Begrenzer BEGOG
1 11
(Abhängigkeitsnotation wie Norm)
E1 A E2
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AOGUG
OGUGE
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Informationsverarbeitung: Basisfunktionen, Funktionsbausteine
& UND Summierer
>1 ODER
NICHT
RSS
Multiplizierer
DividiererRS-FlipFlop
Zeit-
SR
T TE
Kleinst -
Größtwert
MIN
MAXZeitglieder
u s w
T TE
T TEZeitglieder(z.B. PT1)
u.s.w.u.s.w.
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Informationsverarbeitung: Numerische Funktionsbausteine
ZählerER A B C D
Schiebereg.A B C DT A
Code-KonverterA1 B1 C1 .. Konverter,String-HandhabungA2 B2 C2..
u.s.w.
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Informationsverarbeitung: Komplexe Funktionsbausteine
TSTFESA
BEBA
E1E2Kp
AXD &E1
E22v3
SA
RE
KpTnPOS
&
&
>1 AE3
z.B. Motor-Steuerung
z.B. PI - Regler z.B. 2 von 3
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