§1 Was heißt Prozessautomatisierung? · 3 © 2003, IAS Universität Stuttgart 13 PA1 Beispiele...

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© 2003, IAS Universität Stuttgart 9

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1.1 Definition einiger Grundbegriffe

1.2 Automatisierungsgrad und Rechner-Einsatzarten1.3 Automatisierung technischer Produkte und technischer Anlagen1.4 Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems1.5 Ebenen der Prozessführung und Automatisierungsfunktionen1.6 Technische Systeme1.7 Grafische Darstellung technischer Prozesse1.8 Auswirkungen der Prozessautomatisierung auf Mensch,

Gesellschaft und Umwelt

§1 Was heißt Prozessautomatisierung?


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– Wissen, was Prozessautomatisierung ist

– Verstehen, was ein Echtzeitsystem ist

– Wissen, was man unter einem Automatisierungsgrad versteht und welcheBedeutung er besitzt

– Unterschiedliche Rechner-Einsatzarten unterscheiden können

– Zwischen Produktautomatisierung und Anlagenautomatisierungunterscheiden können

– Die Bestandteile eines Automatisierungssystems kennen

– Die unterschiedlichen Ebenen eines Automatisierungssystems und ihreAnforderungen kennen

– Vorgänge klassifizieren können

– Darstellungsarten für Automatisierungssysteme kennen

– Sich der Verantwortung als Automatisierungsingenieur bewusst werden

Kapitel 1 - Lernziele

Kapitel 1: Was heißt Prozessautomatisierung?

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1.1.1 Technischer Prozess

1.1.2 Prozessautomatisierung

1.1.3 Echtzeitsystem

1.1.4 Automatisierungsrechner1.2 Automatisierungsgrad und Rechner-Einsatzarten

1.3 Automatisierung technischer Produkte und technischer Anlagen

1.4 Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems

1.5 Ebenen der Prozessführung und Automatisierungsfunktionen

1.6 Technische Systeme

1.7 Grafische Darstellung technischer Prozesse

1.8 Auswirkungen der Prozessautomatisierung auf Mensch, Gesellschaft und

Umwelt



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Vorgang, Ablauf, Geschehen

Definition 1:Ein technischer Prozess ist ein Vorgang, durch den Materie, Energieoder Information in ihrem Zustand verändert wird. DieseZustandsänderung kann beinhalten, dass ein Anfangszustand in einenEndzustand überführt wird.

Umwandlung

Speicherung Transport

Technischer Prozess bedeutet Materie-, Energie- oder Informationsfluss.


Endzustandvon Materie,Energie oderInformation

TECHNISCHERPROZESS

in einemtechnischen

System

Anfangs-zustand

von Materie,Energie oderInformation

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Beispiele


niedrige Raum-temperatur

Wärmevorgänge bei der Beheizung eines Wohn-hauses mit einer Ölheizungsanlage

erhöhte Raumtemperatur

verschmutzteWäsche

Waschvorgang in einer Waschmaschine saubere Wäsche

unsortierte Pakete Transport- und Verteilvorgänge bei einer Paketver-teilanlage

nach Zielorten sortierte Pakete

fossile oderKernbrennstoffe

Energie-Umwandlungs- und Erzeugungsvorgänge in einem Kraftwerk

elektrischer Strom

einzulagerndeTeile

Lagervorgänge in einem Hochregallager zu Kommissionen zusammen-gestellte Teile

Zug in Ort A Verkehrsablauf bei der Fahrt eines Zuges Zug in Ort B

monomerer Stoff Vorgänge in einem chemischen Reaktor polymerer Stoff

ungeprüftes Gerät Prüfabläufe in einem Prüffeld geprüftes Gerät

Teile ohne Bohrung Bohrvorgang bei einer Bohrmaschine Teile mit Bohrung

Anfangszustand Technischer Prozess in einem technischen System Endzustand

Schadstoffe in der Luft

Vorgänge in einem System zur Schadstoffüber-wachung der Luft

Informationen über Schadstoff-konzentrationen werden in derÜberwachungszentrale angezeigt


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Definition 2: DIN 66201Ein Prozess ist eine Gesamtheit von aufeinander einwirkendenVorgängen in einem System, durch die Materie, Energie oderInformation umgeformt oder gespeichert werden.Ein technischer Prozess ist ein Prozess, dessen physikalischeGrößenmit technischen Mitteln erfasst und beeinflusst werden.

– einfach bis sehr komplex– unterschiedliche Teilprozesse werden zu einem Gesamtprozess

vereinigt

Waschmaschine, Walzwerk

Auto mit KFZ-Elektronik


TECHNISCHERPROZESS

in einem technischenSystem

Einfluss-größen

Ergebnis-größen

Materie-,Energie- oderInformations-zufluss

Materie-,Energie- oderInformations-abfluss

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Technisches System mit technischem Prozess

technischer Prozessläuft auf technischem

System ab


TechnischerProzess

Technisches System

(Gerät, Maschineoder technische Anlage)

Prozess-eingangs-größen

Prozess-ausgangs-größen

Materie-, Energie-oder Informations-zufluss

Materie-, Energie-oder Informations-abfluss

Mess-Signale

Stell-signale

Informationenzur Prozess-beeinflussung

Prozess-ergebnis-Informationen


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Beispiel

– technische Anlage: chemischer Reaktor– technischer Prozess: 3 Teilprozesse (Füllen, Reaktion, Entleeren)


Stoff A

Stoff B

Stellsignale

Stoff C

Mess-Signale

Technische Anlage

Füllen Reak-tion

Ent-leeren

AbführendesReaktions-produktsStoff C

ZuführenStoff A

ZuführenStoff B

Technischer Prozess

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Prozessautomatisierung

= Prozess + automatisieren

Automat = selbsttätigarbeitende technischeSysteme

Zigarettenautomat,

Fahrkartenautomat

Automatisierung = Maschinen, Anlagen,Einrichtungen in dieLage versetzen,selbsttätig zu arbeiten

Büroautomatisierung,,

Verkehrsautomatisierung,,

Bahnautomatisierung,,




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Prozessautomatisierungssystem

= technisches System mit technischem Prozess

+ Rechner- und Kommunikationssystem

+ Prozessbedienpersonal

= Automatisierung technischer Prozesse



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Aufbau eines Prozessautomatisierungssystems


Menschen(Prozesspersonal) zurLeitung und Bedienung

des technischenProzesses, sowiezum Eingreifen in

Ausnahmesituationen

Prozess-ergebnis

Prozessbe-einflussung

Signale zurSteuerung destechnischenProzesses

Signaleaus demtechnischenProzess

Rechner- undKommunikationssystem(beinhaltend z.B.speicherprogrammierbareSteuerungen (SPS), Industrie-PCs, Mikrocontroller,Bussysteme usw.

Technisches System(technisches Produkt odertechnische Anlage), in welchemein technischer Prozessabläuft


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– Zielvorstellung ist Automatisierungssoftwaresystem– Echtzeitsystem Rechner- und Kommunikations-

system im Vordergrund

– Zielvorstellung ist Automatisierung der Vorgänge des technischenProzesses mit Hilfe von entsprechenden Informationsverarbeitungs-einheiten

– Mensch gibt nur noch Wünsche an das Betriebsergebnis vor

Prozessautomatisierungssystem

Prozessinformatik

Automatisierung des technischenProzesses im Vordergrund

Prozessleitsystem

– Zielvorstellung ist Leitung des Ablaufs des technischen Prozessesdurch den Menschen, wobei er durch den automatisierten Ablaufeinzelner Vorgänge unterstützt wird

– Leiten bedeutet Steuern und Regeln Bedienung im Vordergrund


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Definition: Echtzeitbetrieb (DIN 44300)Echtzeitbetrieb ist der Betrieb eines Rechnersystems, bei demProgramme zur Verarbeitung anfallender Daten ständig betriebsbereitsind, derart, dass die Verarbeitungsergebnisse innerhalb einervorgegebenen Zeitspanne verfügbar sind.Die Daten können je nach Anwendungsfall nach einer zufälligen,zeitlichen Verteilung oder zu bestimmten Zeitpunkten auftreten.

– Hardware / Softwaresystem

– Datenempfang, Datenverarbeitung, Weitergabe der Daten innerhalb derdefinierten Zeitspanne

– externe Ereignisse

– Priorisierung der Bearbeitung

Eigenschaften eines Echtzeitsystems

Echtzeitsystem ermöglicht Echtzeitbetrieb



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Anforderungen an Echtzeitsysteme

– Rechtzeitigkeit zur richtigen Zeit reagieren

– Gleichzeitigkeit auf mehrere Dinge gleichzeitig reagieren

– Verlässlichkeit zuverlässig, sicher, verfügbar

– Vorhersehbarkeit alle Reaktionen müssen planbar und deterministisch sein

nicht zu früh, nicht zu spät

parallele Abläufe

wichtiger Kaufgrund

nachvollziehbar im Fehlerfall


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Prozessautomatisierungssystem als Echtzeitsystem

Bedienpersonal

Rechner- undKommunikationssystem

Technischer Prozess


Rechner-undKommunika-tionssystem

TechnischerProzess ineinertechnischenAnlage

Sensorsignale

Steuersignale

Menschen

Uhrzeit Uhrzeit

äußereEinflüsse


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Eigenschaften

In einem Prozessautomatisierungssystem einsetzbare Rechner sind freiprogrammierbare Digitalrechner (Computer), die vor allem 3 Eigenschaftenaufweisen müssen:

– Erfüllung der Echtzeitbetrieb-Anforderungen, d.h. zeitgerechte Erfassung, Verarbeitung und Ausgabe von Prozessdaten

– Möglichkeiten zur Ein-/Ausgabe von Prozess-Signalen (direkt oder über Kommunikationssystem) zur Prozessankopplung

– Verarbeitung von Zahlen, Zeichen und Bits

In 60er und 70er Jahren spezielle „Prozessrechner“- Begriff veraltet, da Unterschiede verschwunden

1.1.4 Automatisierungsrechner

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1.2 Automatisierungsgrad und Rechner-Einsatzarten1.3 Automatisierung technischer Produkte und technischer Anlagen






Umwelt



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Automatisierungsgrad

Der Sinn und Nutzen einer Automatisierung hängt vom technischen Prozess(zugänglich / unzugänglich) und den Rahmenbedingungen (wirtschaftlichsinnvoll / unsinnig) ab. Der Automatisierungsgrad beschreibt den Umfang derin die Automatisierung einbezogenen Vorgänge.Bandbreite: null - vollautomatischer Betrieb

Rechnereinsatzarten

– off-line-Betrieb (Betrieb mit indirekter Prozesskopplung) mit demgeringsten Automatisierungsgrad

– online-/open-loop-Betrieb (offen prozessgekoppelter Betrieb) füreinen mittleren Automatisierungsgrad

– online-/closed-loop-Betrieb (geschlossener prozessgekoppelterBetrieb) für einen hohen Automatisierungsgrad

Vorsicht! - Auch bei vollautomatischem Betrieb kann der MenschEingriffe (Sollwert-Vorgabe oder Störfall) vornehmen!

1.2 Automatisierungsgrad und Rechner-Einsatzarten

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Betrieb ohne Rechnereinsatz

keineAutomatisierung


Anwen-dungenfür dieProzess-führung

Betriebs-protokoll

Betriebs-abrechnung

Betriebsleitung

Aufträge

Hand-stell-geräte

Anzeigegeräteund Schreiber

Technische Anlage

Steuer- undRegelgeräte

Prozess-personal


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Off-line-Einsatz (indirekt gekoppelter Betrieb)

Geringe Automati-sierung, keineKopplung zum

technischenProzess


Off-line-Rechner Anwei-

sungenfür dieProzess-führung

Betriebs-protokoll

Eingabendes Betriebs-protokolls

Technische Anlage

Anzeigegeräteund Schreiber


Hand-stell-geräte

Prozess-personal

Betriebsleitung Aufträge

Eingabe,Betriebsarten,Anweisungen

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On-line-/Open-loop-Betrieb eines Rechnersystems

MittlereAutomatisierung,Datenerfassung

vom technischenProzess


AnweisungenWarte

Betriebsleitung Aufträge

Betriebs-protokoll

Betriebs-überwachung

Technische Anlage

Rechner-System


Prozess-personal

Hand-stell-geräte

on-line

open-loop


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On-line-/closed-loop-Betrieb eines Rechnersystems

Hohe Automati-sierung,

Datenerfassungund Beeinflussung

des technischenProzesses


Technische Anlage

Rechner- und Kommunikationssystem

NotsteuerungNotinstrumente

Aufträge

Betriebs-protokoll

Betriebsleitungund Überwachung

on-line undclosed-loop

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1.3.1 Arten von Automatisierungssystemen

1.3.2 Produktautomatisierung

1.3.3 Anlagenautomatisierung1.4 Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems





Umwelt



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Produktautomatisierung

Prozessautomatisierungssyteme, bei denen der technische Prozess in einemGerät oder einer einzelnen Maschine abläuft.

hohe Stückzahlen

Anlagenautomatisierung

Prozessautomatisierungssysteme, bei denen der technische Prozess auseinzelnen Teilvorgängen (Teilprozessen) besteht, die auf größeren, z.T.auch räumlich ausgedehnten technischen Anlagen ablaufen.

Einmalsysteme


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Beispiele


HeizungssystemeWaschmaschinenNähmaschinenKüchengeräte (z.B. Spülmaschinen, Mikro-wellengeräte usw.)Fernsehgerät, RadiosFilmkamerasAlarmanlagenSpielzeugeNavigationssystemeAnrufbeantworterMusikinstrumenteWerkzeugmaschinenMessgeräteKraftfahrzeuge mit den Teilsystemen Motor,Getriebe, ABS, Abstandswarnsystem, Fahrtplanung. usw.usw.

Beispiele für technische Anlagen bei der Anlagenautomatisierung

Beispiele für Produkte bei der Produkt-automatisierung

Kraftwerksanlagen (Dampferzeuger, Turbinen,GeneratorEnergieversorgungsnetzHochregallagerPaketverteilanlagenChemische ReaktorenVerfahrenstechnische AnlagenStahlerzeugungsanlagenWalzwerksanlagenSchienenverkehrssysteme (Fernbahnen,Stadtbahnen, U-Bahnen)Straßenverkehrs-Ampel-AnlagenGasversorgungsanlagenKlär- und WasserwerkeGebäude- und haustechnische AnlagenLabors und PrüffelderUmwelt-Messanlagenusw.


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Kennzeichnende Kriterien bei der Produktautomatisierung

– Technischer Prozess in einem Gerät oder einer Maschine

– Dedizierte Automatisierungsfunktionen

– Automatisierungscomputer in Form von Mikrocontrollern oder SPS

– Wenige Sensoren und Aktoren

– Automatisierungsgrad 100%, on-line/closed-loop Betrieb

– Sehr große Stückzahlen (Serien- oder Massenprodukte)

– Engineering- und Softwarekosten spielen eine untergeordnete Rolle, da sie durch die Stückzahl zu dividieren sind

einfach


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Struktur bei einer einfachen Produktautomatisierung

Beispiel:Küchengerät


Benutzerbzw.

Bediener

Sollw

erte

Anz

eige

n

Mikrocontroller

Proz

esse

rgeb

niss

e

Technisches Produkt

Stel

lgrö

ßen


PA11.3.2 Produktautomatisierung

Beispiel für die Produktautomatisierung (Tafelanschrieb)

Benutzerbzw.

Bediener

Waschprogramm,Schleuder-Drehzahl

LCD (Waschzeit,Bedienhinweise)

Mikrocontroller(z.B. Siemens C167)

Temperaturwert,Drehzahl

Waschmaschine

Motordrehzahl,Heizstabansteuerung

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Struktur bei einer komplexen Produktautomatisierung

Beispiel:Kraftfahr-zeugelektronik


Mikro-controller

Benutzerbzw.

Bediener

Mikro-controller

1

Mikro-controller

2

Mikro-controller

n

Bus-System

Teilsystem1

Teilsystem2

Teilsystemn

Technisches Produkt


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Technischer Prozess in einer -oft räumlich ausgedehnten- industriellen Anlage

Umfangreiche und komplexe Automatisierungsfunktionen

SPS-, PC- oder Prozessleitsysteme als Automatisierungs-Computersysteme

Sehr viele Sensoren und Aktoren

Mittlerer bis hoher Automatisierungsgrad

Einmal-Systeme

Die Engineering- und Softwarekosten sind für die Gesamtkosten entscheidend

Kennzeichnende Kriterien bei der Anlagenautomatisierung

1.3.3 Anlagenautomatisierung

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PA1

Struktur für eine größere technische Anlage

1.3.3 Anlagenautomatisierung

Anlagen-Bus

Ebene 2

SPS SPS SPS

Leit-Rechner

Fabrik-Bus

Beobachtung,Bedienung,Protokollierung

Ebene 3

PC PC

Feldbus Feldbus

Ebene 1

Teil-anlage

Technische Anlage

Teil-anlage

Teil-anlage


PA1

1.1 Definition einiger Grundbegriffe1.2 Automatisierungsgrad und Rechner-Einsatzarten1.3 Automatisierung technischer Produkte und technischer Anlagen

1.4 Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems 1.4.1 Technische Bestandteile 1.4.2 Sensoren und Aktoren 1.4.3 Kommunikationssystem 1.4.4 Automatisierungs-Computersystem 1.4.5 Automatisierungs-Softwaresystem1.5 Ebenen der Prozessführung und Automatisierungsfunktionen1.6 Technische Systeme1.7 Grafische Darstellung technischer Prozesse1.8 Auswirkungen der Prozessautomatisierung auf Mensch, Gesellschaft und

Umwelt


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PA11.4.1 Technische Bestandteile

technischesProdukt

technischeAnlage

Schnittstellen zumtechnischen Prozess:Sensoren und Aktoren

Kommunikations-system

Automatisierungs-Computersystem

Fest verdrahteteEinzelgeräte

Einrichtungen für dieMensch-Prozess -Konnmunikation

Technische Bestandteileeines Prozessauto-matisierungssystems

Zu automatisierendestechnisches System(Automatisierungs-Objekt)

Einrichtungen, die für dieAutomatisierung erforderlichsind (Automatisierungssystem)

Bus-System zur Kommuni-kation zwischen denAutomatisierungs-Computers

ProzessnahesKommunikations-system (Feldbus)

Automatisierungs-Softwaresysteme

Hardwaresystem(Gerätesystem)

Rechner-Hardware

Prozess-peripherie

System-Software

Anwender-Software


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Sensoren

– Erfassung von Informationen über den Verlauf von Prozessgrößen– Messwertgeber, Fühler– Umformung in elektrische bzw. optische Signale

Beispiele: Temperatur,Druck,Geschwindigkeit

Aktoren

– Umsetzung von Steuerungsinformationen zur Beeinflussung von Prozessgrößen– Stellglieder

Beispiele: Relais,Magnete,Stellmotoren

1.4.2 Sensoren und Aktoren

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Kommunikationssystem bei der Produktautomatisierung

komplexe Produkte

– Kommunikation zwischen Teilsystemen über Bus-System– Beispiele: CAN-Bus, Interbus-S Benutzer

bzw.Bediener

Mikro-controller

Mikro-controller

1

Mikro-controller

2

Mikro-controller

n

Teilsystem1

Teilsystem2

Teilsystemn

Bus-System

einfache Produkte

– wenig Sensoren und Aktoren– kurze Leitungen

Technisches Produkt

Benutzerbzw.

Bediener

Sollw

erte

Anze

igen

Ste

llgrö

ßen

Proz

esse

rgeb

nisse

Mikrocontroller

1.4.3 Kommunikationssystem


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Kommunikationssystem bei der Anlagenautomatisierung

– viele Sensoren und Aktoren weit verteilt

– viele Automatisierungscomputer weit verteilt

Kommunikationsaufgaben auf mehreren Ebenen

Leit-Rechner PC PC

SPS SPS SPS

Fabrik-Bus

Beobachtung,Bedienung,Protokollierung

Ebene 3

Anlagen-Bus

Ebene 2

Feldbus Feldbus

Ebene 1

Teil-anlage

Teil-anlage

Teil-anlage

Technische Anlage

– Feldbussystem (prozessnah)

– Anlagen-Bus (Prozess-Bus)

– Fabrik-Bus

1.4.3 Kommunikationssystem

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Arten von Automatisierungscomputer

– Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

– Mikrocontroller

– Personal Computer (PC)

– Prozessleitsysteme

1.4.4 Automatisierungs-Computersysteme


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Automatisierungs-Softwaresystem

– Menge aller Programme, die zur Ausführung der Automatisierungs-aufgaben erforderlich sind, inklusive ihrer Dokumentation

ausführende Programme(Anwendungssoftware)

Messwerte einlesen

Stellgrößenberechnung

organisierende und verwaltendeProgramme (Betriebssoftwareoder Systemsoftware)

Treiberprogramme

Betriebssystem

– Trennung zwischen ausführenden und organisatorischen bzw. verwaltenden Aufgabenbereichen

1.4.5 Automatisierungs-Softwaresysteme

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PA11.4.5 Automatisierungs-Softwaresysteme

SYSTEMPROGRAMMEANWENDERPROGRAMME

Programme fürProzessgrößen-

Erfassung

Programme fürProzessüber-

wachung

Programme fürProzess-

Steuerung

Programme fürProzess-Regelung

Programme fürProzess-

Optimierung und-Führung

Programme fürProzess-Schutzund -Sicherung

Programme zurOrganisation des

Ablaufs derAnwenderprogramme

Programme zur Steuerungder Peripheriegeräte

Programme zurOrganisation desDatenverkehrs mitExternspeichern

Programme für denDialog Mensch-

Rechner

Übersetzungs-Programme

Laufzeit-Programme

B e

t r i

e b

s s

y s

t e

m


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1.5 Ebenen der Prozessführung und Automatisierungsfunktionen1.6 Technische Systeme



Umwelt


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Ebenenmodell bei der Führung technischer Prozesse


StrategischeEbene

Disposi-tiveEbene

TaktischeEbene

OperativeEbene

Hierarchie-Ebene

Aktionsfeld

LangfristigeVertriebspolitik

Vertriebs-Planung

Vertriebs-Taktik

Verkaufshandlungen

Ebenen im Vertrieb

Markt

Unternehmens-führung - Ebene

Produktions-/Betriebsleitebene

Prozessleitebene

Ebene des Messens,Steuerns, Regelns vonProzessgrößen(Prozessgrößenebene)

Technischer Prozessin einemtechnischen System

Ebenen einesUnternehmens


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Zeitliche Anforderungen auf den verschiedenen Ebenen


Prozessleitebene:

Produktions-/Betriebsleitebene:

Prozessgrößenebene:

Unternehmensführungsebene:

Auswirkungen im Bereich

Mikrosekunden - Sekunden


Monate-Jahre


Tage-Wochen-Monate


Minuten - Stunden

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Automatisierungsfunktionen


Kostenanalysen,statistische

Auswertungen

BetriebsablaufplanungKapazitäts-Optimierung

Auswertung der Prozess-ergebnisse

Prozess-Überwachung,An- und Abfahren,

Störungsbehandlung,Prozessführung,

Prozess-Sicherung

Messen, Steuern, Stellen,Regeln, Verriegeln,

Not-Bedienenvon Prozessgrößen,Abschalten, Schutz

Erfassung und Beein-flussung von Prozess-größen mit Sensoren

und Aktoren

Automatisierungs-funktionen

Ebenen einesUnternehmens

Unternehmens-führungs-Ebene

Produktions-/ Betriebsleitebene

Prozess-leitebene

Prozessgrößen-Ebene

Feldebene


PA1

1.1 Definition einiger Grundbegriffe1.2 Automatisierungsgrad und Rechner-Einsatzarten1.3 Automatisierung technischer Produkte und technischer Anlagen1.4 Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems1.5 Ebenen der Prozessführung und Automatisierungsfunktionen

1.6 Technische Systeme1.6.1 Prozessgrößen in technischen Systemen1.6.2 Vorgänge in technischen Systemen1.6.3 Klassifizierung von technischen Systemen1.6.4 Beziehung: Vorgang - Prozess

1.7 Grafische Darstellung technischer Prozesse1.8 Auswirkungen der Prozessautomatisierung auf Mensch, Gesellschaft und

Umwelt


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Arten von auftretenden Prozessgrößen (1)

– Prozessgrößen, die dem zeitlichen Verlauf physikalische Zustandsgrößen eines technischen Prozesses zugeordnet werden, kontinuierlicher oder stückweise kontinuierlicher Wertebereich Bsp.: Temperaturen in einem Heizungssystem

– Prozessgrößen, die einzelnen diskreten Prozesszuständen zugeordnet werden,• physikalische Größen mit kontinuierlichem Wertebereich, die die

Prozesszustände kennzeichnen,• binäre Prozessgrößen, die den Zustandsübergängen, d.h den

Ereignissen der Zustandswechsel zugeordnet werden

Bsp.: Schalterstellung: 0/off - 1/on

1.6.1 Prozessgrößen in technischen Systemen


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Arten von auftretenden Prozessgrößen (2)

– Prozessgrößen, die einzeln identifizierbaren Objekten zugeordnet werden,

• physikalische Größen mit kontinuierlichem Wertebereich

Bsp.: Temperatur einer Bramme im Walzwerk, Abmessungen

eines Ersatzteils im Lager

• nicht-physikalische Größen

Bsp.: Typ, Bauart, Verwendungszweck, Lagernummer

1.6.1 Prozessgrößen in technischen Systemen

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Definition von Vorgängen in technischen Prozessen

– kontinuierliche Vorgänge, dynamische Vorgänge

continuous processes

– sequentielle Vorgänge oder Folgevorgänge

sequential processes, discrete event type processes

– objektbezogene Vorgänge oder Stück(gut)vorgänge

discrete object type processes

Vorsicht! - Nicht immer ist eine klare Unterscheidung möglich!

Bsp.: Transport als kontinuierlicher und objektbezogener Vorgang

1.6.2 Vorgänge in technischen Prozessen


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Kontinuierliche Vorgänge in technischen Prozessen


Physikalische Größen mit (zumindest stückweise)kontinuierlichem Wertebereich

Prozessgrößen

Erzeugungsvorgänge,Umformungsvorgänge,Bewegungsabläufe usw.

Beispiele

Vorgänge, bei denen zeitabhängige kontinuierlicheProzessgrößen auftretenKennzeichen

Differentialgleichungen (Zeit als unabhängige Variable),Übertragungsfunktionen

mathematischeModelle

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Sequentielle Vorgänge in technischen Prozessen


Binäre Signale, die das Eintreten der diskretenProzess-zustände melden oder bewirken, sowie kontinuierliche physikalische Größen, die den Prozesszuständen zugeordnet sind

Prozessgrößen

Folgen von Prozesszuständen beim An- oder Abfahren einer Turbine, Folgen von Zuständen bei der Fahrt eines Aufzugs, Folgen von Zuständen bei der Fertigung mit Werkzeugmaschinen, Folgen von Prüfvorgängen bei der Geräteprüfung in einem Prüffeld

Beispiele

Vorgänge, bei denen Folgen von verschiedenen,unterscheidbaren Prozesszuständen auftretenKennzeichen

Flussdiagramm, Funktionspläne nach DIN 40719,Zustandsmodelle, Petri-NetzeModelle


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Objektbezogene Vorgänge in technischen Prozessen


Physikalische Größen mit kontinuierlichem Werte-bereich oder nichtphysikalische Größen (wie z.B. Typ, Bauart, Verwendungszweck, Lager-Nr. usw.), die den Objekten zugeornet sind, sowie binäre Prozesszustände, die Zustandsänderungen von Objekten melden oder aulösen

Prozessgrößen

Vorgänge, bei der Fertigung von Teilen, Verkehrs-vorgänge, Lagervorgänge, Informationsvorgängein Rechnern

Beispiel

Vorgänge, bei denen einzeln identifizierbareObjekte umgeformt, transportiert oder ge-speichert werden

Kennzeichen

Simulationsmodelle, Warteschlangenmodelle, Zustandsmodelle, Petri-Netze, OO-Modelle

Modelle

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Mögliche Klassifizierungsarten

Klassifizierung nach Art...

– des umgeformten oder transportierten Mediums

– der Einwirkung

– der stofflichen Wandlung

– des dominierenden Vorgangs

Materialprozesse, Energieprozesse, Informationsprozesse

Erzeugungsprozesse, Verteilungsprozesse,Aufbewahrungsprozesse

verfahrenstechnische / fertigungstechnische Prozesse

Fließprozesse (kont.), Folgeprozesse (seq.), Stückgutprozesse (obj.)

1.6.3 Klassifizierung von technischen Systemen


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Zuordnung von Vorgangstypen zu Produktionsprozessen

Technische Prozesse können unterschiedliche Vorgänge umfassen, umgekehrt kann ein Vorgang wiederum ein technischer Prozess sein.

1.6.4 Beziehung: Vorgang - Prozess

energietechnische Prozesse

kontinuierliche Vorgänge, sequentielle Vorgänge

verfahrenstechnische Prozesse

kontinuierliche Vorgänge, sequentielle Vorgänge

fertigungstechnische Prozesse

kontinuierliche Vorgänge, sequentielle Vorgänge,objektbezogene Vorgänge

Technischer Prozess Typen von Vorgängen

fördertechnischeProzesse

kontinuierliche Vorgänge, sequentielle Vorgänge,objektbezogene Vorgänge

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– Erzeugung elektrischer Energie in einem Turbogenerator• kontinuierliche Vorgänge• Anfahren des Prozesses als sequentieller Vorgang

Beispiele:

Verfahrenstechnische Prozesse

– Chargenprozesse• Einzelvorgänge sind kontinuierliche Prozesse• Aufeinanderfolge der Einzelvorgänge ist ein sequentieller Vorgang

Fertigungstechnische Prozesse

– Herstellung eines Drehteils• Transportvorgang eines Rohlings ist ein objektbezogener Vorgang• Fertigungsablauf wie “Rohling einspannen”, “Reitstock vorfahren”,

usw. ist ein sequentieller Vorgang• Zerspanungsvorgang beim Abdrehen ist ein kontinuierlicher

Vorgang

Energietechnische Prozesse

1.6.4 Beziehung: Vorgang - Prozess


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1.1 Definition einiger Grundbegriffe1.2 Automatisierungsgrad und Rechner-Einsatzarten1.3 Automatisierung technischer Produkte und technischer Anlagen1.4 Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems1.5 Ebenen der Prozessführung und Automatisierungsfunktionen1.6 Technische Systeme

1.7 Grafische Darstellung technischer Prozesse1.8 Auswirkungen der Prozessautomatisierung auf Mensch, Gesellschaft und

Umwelt


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Fließbild

Beispiel:


Trennen

Lösungs-mittel

Endprodukt

– Ähnlich den Blockbildern der Regelungstechnik

– Verfahren bzw. Verfahrensabschnitte sind Rechtecke

– Linien mit Pfeil stellen den Informations- oder Stofffluss dar

– Bündel von Verbindungen als Doppel-Linie mit Pfeil

LösenEinsatz-stoffgelöst

Einsatz-stoff

Lösungs-mittel

Zwischen-produkt

Reaktion

Zusatzstoffzerkleinert

Zusatzstoffunzer-kleinert Zerkleinern


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Informations-/stofforientierte Darstellung

Beispiel:


– Informationen/Stoffe als Kreise– Verfahren/Funktionen werden an den Verbindungslinien angegeben

Einsatzstoff

Lösungs-mittel

Einsatz-stoff-gelöst

Lösen

Lösen

Reaktio

n

Zusatzstoffunzer-kleinert Zusatz-

stoff zer-kleinert

Zerkleinern

Reaktion

Lösungs-mittel

End-produkt

Trenn

en

Trennen

Zwischen-Produkt

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Phasenmodelldarstellung

Beispiel:


ReaktionZwi-

schen-produkt

Trennen

Zusatz-stoff

Teil-prozess"Zer-

kleinern"

Zusatz-stoff

zerklei-nert

– Mischung von Fließbild und informations-/stofforientierter Darstellung

Einsatz-stoff

Lösungs-mittel

Teil-prozess"Lösen"

Einsatz-stoff

gelöst

Lösungs-mittel

End-produkt


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Beispiele von Fließbilddarstellungen

Zusatzstoff350 kg/h

Lösungsmittel1000 kg/h

Einsatzstoff800 kg/h

x

M M

M1 M2z1

1 bar20° C

B2B1

P1 P2

1 bar20° C

Heinzd

ampf 3 b

ar

W1

Heinz-dampf


1 bar108°

C

Endprodukt1450 kg/h

Tanklager

Zerkleinern

Lösen Reaktion Trennen

Zusatzstoff

Einsatzstoff

Lösungsmittel

Lösungsmittel

Endprodukt

einfaches Fließbild

Verfahrensfließbild


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PA1

Zusatzstoff350 kg/h

F1


Einsatzstoff800 kg/h

FRC

1.01

FRC

2.01

TRC1.02 LRC

1.03

P1

V106

V101V201 V202

V102V203V103

V204

V105

B1 B2

LRC

1.04

P2

V106

XZ1M

3 h M1

M3 h

M3 h

M3 h

M3 h

V111

TRC

1.02

V304

V301

V302

V303

Zusatzstoff700 kg/h

V206

Heizdampf5 bar

W1M2

V110V107

V112

V305

V306

Kondensat

LRC

1.04

M3 h

K1

Endprodukt1450 kg/h

V301

V302

V303

V116

W3A1

LRC+

1.04W2

Rohrleitungs- und Instrumenten-Fließbild



PA1








1.8 Auswirkungen der Prozessautomatisierung auf Mensch, Gesellschaft

und Umwelt


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Beabsichtigte (positive) Auswirkungen

– Erzeugung besserer, billigerer, gleichmäßiger Produkte mit weniger Arbeitseinsatz

• Automatisierung chemischer Verfahrensanlagen

– Verringerung der Gefährdung von Menschen• ABS-System• Automatisierung Verkehrssysteme, wie induktive Zugsicherung,

automatische Schranken

– Humanisierung von Arbeitsbedingungen• Automatisierung Lackiererei, Gießerei

– einfachere und bequemere Handhabung• Automatisierung einer Waschmaschine• Automatisierung einer Heizungsanlage

– Sicherung von Arbeitsplätzen durch Verbesserung der Wettbewerbs- fähigkeit

• Einsatz von Robotern in der Automobil-Fertigung

1.8 Auswirkungen der Prozessautomatisierung auf Mensch, Gesellschaft und Umwelt


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Unbeabsichtigte (negative) Auswirkungen

– Berufliche Umstrukturierung von Arbeitsplätzen durch die Veränderung von Arbeitsabläufen und Arbeitsinhalten

• Niedriger-/Höherqualifizierung von Arbeitsplätzen• Wegfall von Hilfsarbeiten

• Zunahme von Dienstleistungsberufen

– Verringerung der menschlichen Kontakte• Einführung von Fahrkarten- und Auskunftsautomaten

– Erhöhung des Stresses und Verringerung von entspannenden Tätigkeiten

• Automatisierung von Prüffeldern

– Freisetzen von Arbeitskräften kann zu Arbeitslosigkeit führen• Einsatz von Robotern in der Fertigung

– Überforderung in schwierigen Situationen• sicherheitskritische Entscheidungen in einem Kernkraftwerk


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Der Automatisierungs-Ingenieur hat die Verantwortung fürdie Auswirkungen der Prozessautomatisierung!

Dilemma: Abwägung Nutzen/Schaden

Direkte, unmittelbare Verantwortung– Schäden in von ihm entworfenen Prozessautomatisierungssystemen

– Verletzung von anerkannten Bestimmungen und Regeln der Technik(VDE-Bestimmungen usw.)

– Sicherheit der Automatisierungssysteme

Prozessautomatisierung hat Auswirkungen auf

– Menschen– Gesellschaft– Umwelt– Energie und Rohstoffe

Indirekte, mittelbare Verantwortung

– unbeabsichtigte Nebenwirkungen



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Frage zu Kapitel 1.1

In der Automatisierungstechnik ist neben der Richtigkeit der Daten auchderen zeitliches Auftreten von größter Bedeutung. Welcher dernachfolgenden Aussagen stimmen Sie zu?

Zu frühe Daten sind falsche Daten

Zu späte Daten sind falsche Daten

Schnellstmögliche Daten sind richtige Daten

Exakte Daten sind falsche Daten

Keine Daten sind falsche Daten

Antwort

f


f

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Antwort


In einem Betrieb soll die Herstellung von Kühlschränken automatisiertwerden. Dazu wird eine neue Montagestraße eingeführt. In dieserMontagestraße wird das Kühlmittel eingefüllt und die Rückwandverschraubt.

Um welche Art von Prozessautomatisierung handelt es sich ?

Bei der beschriebenen Aufgabenstellung handelt es sich um eineAnlagenautomatisierung. Dabei soll der Herstellungsvorgang einesProdukts automatisiert werden und nicht das Produkt selbst.


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Antwort


Für den Steuerungsrechner der bereits beschriebenen Montagestraßeliegen 2 Angebote vor:

„normaler“ PC: 3000,- € Industrie PC mit gleicher Leistungsfähigkeit: 5000,- €

Für welchen Rechner würden Sie sich entscheiden ? Begründen Sie IhreAntwort und erklären Sie den preislichen Unterschied.

Im Funktionsumfang der beiden Rechner besteht kein Unterschied.Industrie PC und „normaler“ PC unterscheiden sich in erster Linie darin,dass Industrie PCs speziell für die höheren Belastungen im industriellenEinsatz (Temperatur, Vibration, EMV, spezielles Gehäuse...) angepasstsind. Bei dem hier beschriebenen Anwendungsfall wird man sich deshalbfür den Industrie PC entscheiden.

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Antwort


Unten abgebildet sehen Sie das Modulare Produktionssystem des IAS.

Welche Arten von Vorgängen können Sie in diesem System identifizieren?

Koninuierliche Vorgänge(z.B. Transportvorgang)

Objektbezogene Vorgänge(alle Arbeiten erfolgen amZylinderobjekt)

Sequentielle Vorgänge (alleBearbeitungsstationen werdensequentiell angefahren)


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Kreuzworträtsel zu Kapitel 1

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Kreuzworträtsel zu Kapitel 1

Waagerecht5 Alternative Bezeichnung für objektbezogene Prozesse (14)6 Bezeichnung für Systeme bei denen die Verarbeitung der

Programme zeitlich mit den in externen Systemen ablaufendenVorgängen Schritt hält. (14)

7 Darstellung, ähnlich Blockbild (10)8 Messwertgeber (6)9 Fähigkeit, auf mehrere Dinge gleichzeitig zu reagieren (16)10 Stellglied (5)

Senkrecht1 Bezeichnung für den Umfang einer Automatisierung (20)2 Fähigkeit zur richtigen Zeit zu reagieren (15)3 Automatisierungstechnisches Analogon zur "Taktischen Ebene" (16)4 Bezeichnung für die direkte Verbindung von Rechnersystemen mit

einer Anlage. (16)

§1 Was heißt Prozessautomatisierung? · 3 © 2003, IAS Universität Stuttgart 13 PA1 Beispiele...

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