2 Automatisierungsverfahren - Universität Stuttgart
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AT II<br />
§ 2 <strong>Automatisierungsverfahren</strong><br />
Lernziele<br />
– Die Grundaufgaben der Automatisierungstechnik kennen<br />
– Die Verfahren zur Prozess-Signalerfassung verstehen<br />
– Die Verfahren zur Prozessüberwachung und Prozessdiagnose verstehen<br />
– Die Grundzüge der Regelung und Steuerung von Fließprozessen<br />
verstehen<br />
– Diskrete Steuerungen verstehen und entwerfen können<br />
– Ablaufsteuerungen mit Hilfe von Petri-Netzen analysieren können<br />
– Die Grundzüge der Mensch-Prozess-Kommunikation verstehen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 96
AT II<br />
§ 2 <strong>Automatisierungsverfahren</strong><br />
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
2.3 Prozessüberwachung<br />
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
2.7 Zusammenfassung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 97
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
AT II<br />
Grundaufgaben der Automatisierungstechnik<br />
– Prozessüberwachung<br />
Überwachung des regulären Prozessablaufs<br />
Anzeigen für das Betriebspersonal<br />
Diagnose über mögliche Ursachen eines irregulären Betriebsablaufs<br />
Prozesssicherung<br />
– Prozessführung<br />
Beeinflussung von Energie- und Masseströmen zum wirtschaftliches Erreichen<br />
eines Prozessergebnisses unter Einhaltung von Randbedingungen<br />
Steuerung und Regelung einzelner Prozessgrößen und gesamter<br />
technischer Anlagen<br />
Operative Produktionsführung<br />
Durch Prozesspersonal Prozessleitung<br />
Durch Automatisierungssystem Prozessautomatisierung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 98
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
AT II<br />
Lösung von Automatisierungsaufgaben<br />
Ansatz: Anwendung von <strong>Automatisierungsverfahren</strong> auf Basis eines<br />
Prozessmodells (= abstraktes Modell des techn. Prozesses)<br />
funktionale und nicht-funktionale<br />
Anforderungen<br />
Wissen über den zu automatisierenden<br />
technischen Prozess<br />
in Form eines Prozessmodells.<br />
Entwurf von<br />
<strong>Automatisierungsverfahren</strong><br />
zur Lösung der gestellten<br />
Automatisierungsaufgaben<br />
Ein Ansatz zur fachtechnischen<br />
Lösung der Automatisierungsaufgabe<br />
Ein Gütekriterium zur Bewertung<br />
der entworfenen Lösung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 99
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
AT II<br />
Begriffsbildung „Modell“<br />
Modell<br />
Muster, Abbild, Vorbild, Vorlage<br />
– Charakteristika<br />
Wiedergabe eines realen oder geplanten Gegenstandes zu Studien-,<br />
Versuchs- oder Spielzwecken<br />
Deskriptive Modelle: Abbilder vorhandener Originale<br />
Präskriptive Modelle: Vorbilder für geplante Originale<br />
Vereinfachende, auf das Wesentliche und Relevante fokussierende Darstellung<br />
zur Veranschaulichung einer komplizierten Wirklichkeit<br />
– Modellzweck<br />
Verstehen von Zusammenhängen, Sachverhalten, Abläufen<br />
Kommunikationsmittel<br />
Repräsentation von noch nicht real vorhandenen Sachverhalten und Abläufen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 100
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
AT II<br />
Analyse eines technischen Prozesses mit Hilfe eines<br />
deskriptiven (= beschreibenden) Modellansatzes<br />
Welt der<br />
Realität<br />
Realer<br />
technischer<br />
Prozess<br />
Experimente in<br />
der Realität<br />
Abstraktion<br />
nach einem<br />
Modellierungskonzept<br />
Welt der<br />
Modelle<br />
Deskriptives Modell<br />
des technischen<br />
Prozesses<br />
Experimente am<br />
Modell (Simulation)<br />
Ergebnis der<br />
Experimente<br />
in der Realität<br />
Vergleich,<br />
Auswertung<br />
Ergebnis der<br />
Experimente am<br />
Modell<br />
Verbessertes Modell<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 101
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
AT II<br />
Konzipierung eines Lösungsverfahrens mit Hilfe eines<br />
präskriptiven (= vorschreibenden) Modellansatzes<br />
Welt der<br />
Realität<br />
Zukünftiges, zu<br />
entwerfendes<br />
Automatisierungssystem<br />
(Problemstellung,<br />
Anforderungen)<br />
Aufbau des<br />
realen<br />
Automatisierungssystems<br />
kreative<br />
Abstraktion<br />
nach einem<br />
Modellierungskonzept<br />
Verwirklichung<br />
(Modell als Grundlage<br />
für die<br />
Implementierung)<br />
Welt der<br />
Modelle<br />
Präskriptiver Modellansatz<br />
zur Lösung des<br />
Automatisierungsproblems<br />
Ausbau des angesetzten<br />
präskriptiven Modells<br />
Untersuchung des Verhaltens<br />
in Verbindung mit<br />
deskriptivem Modell des<br />
technischen Prozesses<br />
Detaillierung des<br />
präskriptiven Modells<br />
aus Sicht der<br />
Realisierbarkeit<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 102
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
AT II<br />
Modell eines Automatisierten Systems<br />
Analyse des TP<br />
Deskriptives<br />
Modell des<br />
technischen<br />
Prozesses<br />
Synthese des AS<br />
Präskriptives<br />
Modell des<br />
Automatisierungssystems<br />
Deskriptives Teilmodell gewonnen<br />
aufgrund der Analyse des technischen<br />
Prozesses (Prozessmodell)<br />
Präskriptives Teilmodell entworfen im<br />
Rahmen einer Synthese zur Erzielung<br />
des gewünschten Verhaltens<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 103
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
AT II<br />
Anwendung von Prozessmodellen im Rahmen einer<br />
Simulation<br />
– Test von Automatisierungssystemen vor der Inbetriebnahme<br />
– Verbesserung der Kenntnis über Prozessgrößen<br />
– Modellgestützte Diagnose zur Erkennung von Abweichungen<br />
– Ausbildung des Prozesspersonals, insbesondere in Stör- und<br />
Ausnahmesituationen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 104
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
AT II<br />
Frage zu Kapitel 2.1<br />
Für welche beiden Aufgabenstellungen benötigt man bei einem<br />
Automatisierungsprojekt ein Prozessmodell?<br />
Antwort<br />
1) Bei der Konzipierung von <strong>Automatisierungsverfahren</strong><br />
2) Bei der Simulation des technischen Prozesses<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 105
Was ist ein Automatisierungsprojekt?<br />
AT II<br />
§ 2 <strong>Automatisierungsverfahren</strong><br />
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
2.3 Prozessüberwachung<br />
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
2.7 Zusammenfassung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 106
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
AT II<br />
Prozess-Signalerfassung und Aufbereitung<br />
Ziel:<br />
Zeitgerechte Bereitstellung rechnerverarbeitbarer Prozessdaten,<br />
welche den physikalischen Prozessgrößen entsprechen<br />
Arten der Signalerfassung<br />
– Amplitudenanaloge Sensoren, z.B. Thermoelemente, Widerstandsgeber<br />
– Frequenzanaloge Sensoren, z.B. Druckgeber mit frequenzmoduliertem<br />
Ausgangssignal<br />
– Binäre Geber, z.B. Endschalter<br />
– Digitale Geber, z.B. Winkelcodierer<br />
– Impulsgeber, z.B. Stückzählsonden, Drehzahlgeber<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 107
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
AT II<br />
Realisierung der Prozess-Signaleingabe<br />
– Herkömmliche Technik<br />
Einzelne Prozess-Signale sternförmig über Mehraderleitungen von<br />
den Sensoren zum Automatisierungscomputersystem<br />
Prozessaufbereitung vollständig in diesem Computersystem<br />
– Anwendung von Feldbussystemen<br />
Jedem Sensor im Feldbereich wird ein Automatisierungscomputer<br />
zugeordnet<br />
Verbindung über Buskoppler zum Automatisierungscomputersystem<br />
Prozessdatenaufbereitung in den Automatisierungscomputern<br />
Zusätzliche Plausibilitätsprüfung im Automatisierungscomputersystem<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 108
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
AT II<br />
Signaldurchschaltung<br />
– Zyklische Signaldurchschaltung<br />
Äquidistante Zeitabstände bei ständiger Verfügbarkeit<br />
z. B. Signalabtastung bei<br />
Abtastregelung<br />
– Azyklische Signaldurchschaltung<br />
Spontane Durchschaltung bei gezielter Auswahl<br />
z. B. Endlage-Signal<br />
Signaldurchschaltung binärer bzw. digital codierter<br />
Prozessgrößen<br />
Anwendungsregeln<br />
– Spontane Durchschaltung bei kurzer Erkennungsdauer<br />
– Spontane Durchschaltung bei Binärsignalen, die sich selten ändern<br />
– Zyklische Durchschaltung bei sich häufig ändernden Binärsignalen und<br />
wenn keine schnellen Erkennungszeiten notwendig sind<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 109
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
AT II<br />
Plausibilitätsprüfung<br />
– Feststellung der Gültigkeit der erhaltenen Fertigwerte,<br />
unsinnige Fertigwerte erkennen<br />
z. B. bei Defekt im Sensor<br />
– Erhöhung der Verfügbarkeit des automatisierten Gesamtsystems<br />
sonst frühzeitige Abschaltung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 110
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
AT II<br />
Verfahren zur Plausibilitätsprüfung (1)<br />
– Statische Plausibilitätsprüfung<br />
y<br />
iF<br />
min<br />
y<br />
kT)<br />
y<br />
iF ( iF<br />
max<br />
physikalisch<br />
möglicher<br />
Wertebereich<br />
– Dynamische Plausibilitätsprüfung<br />
y<br />
iF<br />
min<br />
y ( ) [( 1) ]<br />
|<br />
iF kT yiF<br />
k T<br />
| yiF<br />
T<br />
max<br />
Differenzenquotient<br />
– Anwendung einer Sekundärwert-Prüfung<br />
Zuordnung von anderen Prozessgrößen als Sekundärwerte, die in Relation zu<br />
erfassender Prozessgröße stehen<br />
Wenn Primärwert außerhalb Plausibilitätsgrenzen Überprüfung, ob<br />
Sekundärwerte entsprechende Abweichungen zeigen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 111
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
AT II<br />
Verfahren zur Plausibilitätsprüfung (2)<br />
– Anwendung redundanter Sensoren<br />
2-von-3-Auswahl bei sicherheitsrelevanten Prozessgrößen<br />
hoher Aufwand<br />
– Mehrfacherfassung<br />
Kurzzeitige mehrfache Erfassung zur Erkennung kurzzeitiger Störungen<br />
– Vergleich mit Eichwerten<br />
hoher Aufwand<br />
Umschaltung auf Eichspannungsquelle<br />
Erkennung von Driftfehlern, nur bei hoher Genauigkeit sinnvoll<br />
– Prozessmodell<br />
Vergleich gemessener Größe mit Größe aus Prozessmodell<br />
Voraussetzung: ausreichend genaues Prozessmodell<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 112
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
AT II<br />
Beispiel für die Anwendung einer Sekundärwert-Prüfung zur<br />
Plausibilitätsprüfung (1)<br />
Skizze eines Gleitlagers einer Turbine<br />
Prozess-Signal<br />
L (t)<br />
"Lagertemperatur"<br />
Sekundärwert<br />
Temperatur-<br />
Sensor<br />
Gleitlager<br />
einer<br />
Turbine<br />
s<br />
Druckölzufuhr<br />
Öldruck-<br />
Sensor<br />
Prozess-Signal P L<br />
(t)<br />
"Öldruck im Lager"<br />
Primärwert<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 113
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
AT II<br />
Beispiel für die Anwendung einer Sekundärwert-Prüfung zur<br />
Plausibilitätsprüfung (2)<br />
Erfasster Verlauf<br />
des Prozess-<br />
Signals P L (kT)<br />
P L<br />
(kT)<br />
Primärwert<br />
T<br />
t<br />
Erfasster Verlauf<br />
des Prozess-<br />
Signals L(kT)<br />
L (kT)<br />
Sekundärwert<br />
t<br />
Erfahrungswissen: Lagertemperatur<br />
steigt bei zu geringem Öldruck<br />
Offenbar liegt Sensorfehler bei<br />
Öldrucksensor vor<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 114
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
AT II<br />
Plausibilitätsprüfung von binären Prozessgrößen<br />
– Anwendung redundanter Binärwertgeber<br />
Geringer Mehraufwand<br />
Beispiele: Wechselkontakt statt einfachem Arbeits- oder Ruhekontakt<br />
Prüfung auf Antivalenz der beiden Binärsignale<br />
– Anwendung von Sekundärwertprüfung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 115
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
AT II<br />
Beispiel für die Anwendung einer Sekundärwertprüfung zur<br />
Plausibilitätskontrolle von Binärsignalen<br />
Schwimmer<br />
Prozess-Signal „Ölbehälter“<br />
Primärwert 1<br />
Ölbehälter<br />
Prozess-Signal „Hauptölpumpe“<br />
Primärwert 2<br />
Gleitlager<br />
einer Turbine<br />
M<br />
M<br />
Hilfsölpumpe<br />
Hauptölpumpe<br />
Manometer<br />
Prozess-Signal „Öldruck“<br />
Sekundärwert zu Primärwert 1 und 2<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 116
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
AT II<br />
Frage zu Kapitel 2.2<br />
In einem Schienenverkehrssystem soll die Stellung von Weichen erfasst und<br />
überwacht werden. Es sei angenommen, dass für jede Weichenstellung ein<br />
mit der Weiche mechanisch verbundener Kontakt vorgesehen ist.<br />
Würden Sie bei der Erfassung der Kontaktstellungen (d.h. der Binärsignale<br />
von den Weichen) eine spontane Durchschaltung (mit Interrupt) oder eine<br />
zyklische Abfrage wählen?<br />
Antwort<br />
Schienenverkehrssystem ist sicherheitsrelevantes System<br />
zyklische Abfrage und<br />
Anwendung des Ruhestromprinzips<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 117
AT II<br />
§ 2 <strong>Automatisierungsverfahren</strong><br />
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
2.3 Prozessüberwachung<br />
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
2.7 Zusammenfassung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 118
Prozesssignale<br />
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Aufgaben der Prozessüberwachung<br />
Warte<br />
Ermittlung des<br />
Prozesszustands<br />
Schlussfolgerung von<br />
Maßnahmen<br />
Ermittlung der Ursachen<br />
für Abweichungen vom<br />
regulären Betrieb<br />
Ausgabe von<br />
Alarmmeldungen<br />
Automatischer Schutz bei<br />
Gefahren und<br />
Notfallsituationen<br />
Technischer Prozess<br />
Prozesssignal-Erfassung<br />
Wartungspersonal<br />
Wartung<br />
Früherkennung sich<br />
anbahnender Fehler und<br />
Ausfälle<br />
Video: Prozessüberwachung bei einem Kraftwerk<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 119
2.3 Prozessüberwachung<br />
Ermittlung und<br />
Auswertung von<br />
Fehlerursachen<br />
Irregulärer Betrieb aufgrund<br />
eines Fehlers, Ausfalls, Störung<br />
Symptome erkennen (z.B.<br />
Toleranzüberschreitungen)<br />
AT II<br />
Kühlwassertemperatur steigt<br />
Maßnahmen abhängig von<br />
Auswirkungsabschätzung<br />
Fehlerdiagnose (grob) zur<br />
Ermittlung der Fehlerursache<br />
Fehlerbewertung bzgl. möglicher<br />
Auswirkungen<br />
Kühlwasserstand zu niedrig,<br />
Keilriemen intakt<br />
Motorschaden<br />
Kühlwasser nachfüllen<br />
Stabilisierungsmaßnahmen<br />
(zur Weiterführung<br />
des Betriebs)<br />
Abschaltemaßnahmen<br />
Sicherungsmaßnahmen<br />
(Prozess in sicheren<br />
Zustand überführen)<br />
Fehlerdiagnose (fein) zur Ermittlung<br />
von Fehlerart und Fehlerort<br />
Leck ermitteln<br />
Fehlerbeseitigung<br />
Leck beseitigen<br />
Wiederaufnahme des regulären<br />
Betriebs<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 120
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Überwachung unterschiedlicher Zeitbereiche<br />
– Prozess-Vergangenheit<br />
Untersuchung des zurückliegenden Verlaufs<br />
Ursachenermittlung für Ausfall bzw. Schaden (Post-Mortem-Analyse)<br />
– Prozess-Gegenwart<br />
Schritthaltende Überwachung des aktuellen Verlaufs<br />
Reaktion bevor Ausfall oder Schaden eintritt<br />
– Prozess-Zukunft<br />
Abschätzung des künftigen Verlaufs<br />
Frühzeitige Erkennung unerwünschter Entwicklungen<br />
Einleitung von Gegenmaßnahmen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 121
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Konzepte zur Prozessüberwachung<br />
– Signalorientierte Prozessüberwachung<br />
Prozessüberwachung anhand der Analyse einzelner Prozesssignale<br />
– Informationsorientierte Prozessüberwachung<br />
Betrachtung und Auswertung des Zusammenwirkens mehrerer<br />
Prozesssignale<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 122
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Signalorientierte Prozessüberwachung<br />
– Verfahren zur Überwachung zeitkontinuierlicher Prozessgrößen<br />
Überwachung auf Einhaltung fester Grenzwerte<br />
Überwachung auf gleitende Grenzen<br />
Überwachung der zeitlichen Änderungsrate<br />
– Verfahren zur Überwachung binärer Prozessgrößen<br />
Überwachung mit Hilfe von Zulässigkeitstabellen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 123
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Überwachung auf Einhaltung fester Grenzen<br />
Prozessgröße y F (t)<br />
y So<br />
Schadensgrenze<br />
Gefahren-Bereich<br />
unzulässiger<br />
irregulärer Bereich<br />
zulässiger<br />
irregulärer Bereich<br />
regulärer Bereich<br />
zulässiger<br />
irregulärer Bereich<br />
unzulässiger<br />
irregulärer Bereich<br />
y Ao<br />
y Wo<br />
y Bo<br />
y Bu<br />
y Wu<br />
y Au<br />
obere Außerbetriebnahmegrenze<br />
(obere Überwachungsgrenze II, Hauptalarm)<br />
obere Warngrenze (obere Überwachungsgrenze I, Voralarm)<br />
obere Betriebsnenngrenze<br />
untere Betriebsnenngrenze<br />
untere Warngrenze (untere Überwachungsgrenze I, Voralarm)<br />
untere Außerbetriebnahmegrenze<br />
(untere Überwachungsgrenze II, Hauptalarm)<br />
Dauer der Überschreitung<br />
der Betriebsnenngrenze<br />
T D<br />
t<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 124
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Beispiele für automatische Schutzmaßnahmen bei einer<br />
gefährlichen Überschreitung der Außerbetriebnahmegrenze<br />
Technisches<br />
System<br />
Prozessgröße<br />
Dampfkessel Dampfdruck<br />
Elektromotor Temperatur<br />
der<br />
Wicklung<br />
Elektrische Strom<br />
Leitung<br />
Elektrisches<br />
Haushalts-<br />
Gerät<br />
Dampfturbine<br />
Gefährliche<br />
Überschreitung<br />
der Außerbetriebnahme-<br />
Grenze<br />
Überdruck<br />
Überhitzung<br />
durch<br />
Überlast<br />
Überstrom bei<br />
Kurzschluss<br />
Spannung Spannung am<br />
Gehäuse bei<br />
fehlerhafter<br />
Isolierung<br />
Drehzahl<br />
Drehzahl zu<br />
hoch<br />
Automatische<br />
Schutzmaßnahme<br />
Öffnen eines<br />
Überdruckventils<br />
Stromunterbrechung<br />
Stromkreisunterbrechung<br />
Abschalten der<br />
Spannung<br />
Schließen des<br />
Schnellschlussventils<br />
Schutzeinrichtung<br />
Notventil<br />
Temperatur-<br />
Schutzschalter<br />
Sicherung<br />
Sicherung<br />
(Schutzkontakt)<br />
bzw. Fehlerstrom-Schutzschalter<br />
Schnellschlussventil<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 125
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Mögliche Fehlentscheidung bei Überwachung auf Einhaltung<br />
fester Grenzen<br />
– Grenzwertüberschreitung wird nicht erkannt wegen überlagerter Störung<br />
– Grenzwertüberschreitung wird wegen überlagerter Störung<br />
fälschlicherweise erkannt<br />
y Phys (t)<br />
y(t)<br />
nicht erkannte<br />
Grenzwertüberschreitung<br />
fälschlich<br />
gemeldete<br />
Grenzwertüberschreitung<br />
Warngrenze<br />
Verlauf des<br />
gestörten<br />
Prozesssignals y(t)<br />
Verlauf der<br />
Prozessgröße y Phys (t)<br />
t<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 126
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Überwachung auf gleitende Grenzen<br />
y IF (t)<br />
obere<br />
Grenzkurve<br />
y IF (t)<br />
Grenzkurven mit<br />
Stützpunktmethode ermittelt<br />
untere<br />
Grenzkurve<br />
– Anwendung bei instationärem Betrieb (z.B. Anfahren)<br />
– Ermittlung der Grenzkurven durch ...<br />
Speicherung von Funktionswerten und Interpolation (Stützpunktmethode)<br />
Approximation durch eine analytisch oder empirisch angesetzte Funktion<br />
t<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 127
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Überwachung der zeitlichen Änderungsrate<br />
Differenzenquotient:<br />
yiF<br />
(kT) yiF<br />
[(k 1)T]<br />
| | |<br />
T<br />
y<br />
T<br />
iF<br />
|<br />
max<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 128
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Überwachung der zeitlichen Änderungsrate in Kombination<br />
mit einzuhaltenden Warngrenzen<br />
zulässiger Bereich<br />
Y Wo obere Warngrenze<br />
Y Wu untere Warngrenze<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 129
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Überwachung binärer Prozessgrößen<br />
Grundsätzlicher Aufbau einer Zulässigkeitstabelle zur Überwachung von<br />
binären Prozess-Signalen. (Die Markierung besagt, dass bei der betreffenden<br />
Betriebsart und in dem genannten Zeitbereich eine Änderung der in den<br />
Spalten angegebenen Binärsignale zulässig ist).<br />
Betriebsart<br />
Binäres Prozess-Signal Nr.<br />
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 5<br />
A<br />
B<br />
C<br />
Zeitbereich 1 Zeitbereich 2 Zeitbereich 3<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 130
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Nachträgliche Störungsaufklärung<br />
Kenntnis des zeitlichen Ablaufes der Störungsauswirkung und<br />
Störungsausbreitung erforderlich<br />
Post-Mortem-Analyse<br />
"Trend recording" - Verfahren<br />
– Temporäre Speicherung von Prozessgrößen während Zeitspanne T i<br />
y Phys (t)<br />
Außerbetriebnahmegrenze<br />
Bei Grenzwertüberschreitung<br />
keine<br />
weitere Löschung<br />
z.B. Crash-<br />
Recorder bei<br />
Flugzeugen<br />
T i<br />
Abschaltung des<br />
technischen Prozesses<br />
t<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 131
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Informationsorientierte Prozessüberwachung<br />
Zielsetzungen:<br />
– Ermittlung von Ratschlägen für das Prozesspersonal<br />
Maßnahmen zur Erzielung optimaler Betriebsergebnisse<br />
(nicht zeitkritisch)<br />
Reaktion auf Störung/Ausfälle (zeitkritisch)<br />
– Frühzeitige Erkennung sich anbahnender Fehler und Ausfälle<br />
Einsparung von Ausfallkosten<br />
regulärer<br />
Betrieb<br />
irregulärer<br />
Betrieb<br />
Umsetzung:<br />
Modellbasierte Prozessüberwachung<br />
– Prozessüberwachung unter Verwendung quantitativer Modelle<br />
– Prozessüberwachung unter Verwendung qualitativer Modelle<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 132
Fehlersignale<br />
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Informationsorientierte Prozessüberwachung durch direkten<br />
Modellvergleich<br />
Fehlerursachen<br />
Modell des fehlerhaften<br />
Verhaltens (Pathologisches<br />
Modell)<br />
Fehlersignaturen<br />
Vergleich zur<br />
Fehlerartbestimmung<br />
Modell des technischen<br />
Prozesses in der idealen,<br />
fehlerfreien technischen<br />
Anlage (einschließlich<br />
Aktorik und Sensorik)<br />
ideale Ausgangsgrößen<br />
+<br />
-<br />
Eingangsgrößen<br />
Aktorik<br />
Reale technische Anlage<br />
zu überwachendes<br />
technisches<br />
System<br />
Sensorik<br />
reale<br />
Ausgangsgrößen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 133
globale<br />
Kenngröße<br />
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Informationsorientierte Prozessüberwachung durch direkten<br />
Modellvergleich bei Verwendung globaler Kenngrößen<br />
Beispiele für globale<br />
Kenngrößen:<br />
Energieverbrauchsbilanz<br />
Wirkungsgrad<br />
Materialdurchsatz<br />
Kenngrößenmodell bei<br />
Annahme von<br />
bestimmten Fehlern<br />
Fehlerursachen<br />
Vergleich<br />
Voraussetzung:<br />
Fehler wirken sich<br />
signifikant auf<br />
Ausgangsgrößen aus<br />
Berechnung von globalen Kenngrößen,<br />
wie z.B. Energieverbrauchsbilanz,<br />
Wirkungsgrad usw.<br />
Technische Anlage<br />
Aktorik<br />
zu überwachendes<br />
technisches System<br />
Sensorik<br />
Eingangsgrößen<br />
Ausgangsgrößen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 134
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Informationsorientierte Prozessüberwachung durch indirekten<br />
Modellvergleich auf Grundlage einer Zustandsschätzung<br />
Modell des fehlerhaften Verhaltens<br />
(Pathologisches Modell)<br />
Vergleich<br />
Fehlersignatur<br />
der Zustandsgrößen<br />
Fehlerursachen<br />
Modell des technischen Prozesses<br />
in der idealen, fehlerfreien technischen<br />
Anlage (mit Aktorik und<br />
Sensorik)<br />
Zustandsbeobachter<br />
Modell des beobachteten<br />
technischen Prozesses<br />
Ideale<br />
Zustandsgrößen<br />
+<br />
-<br />
Zustands-<br />
größen-<br />
Fehler<br />
mit Hilfe des<br />
Modells geschätzte<br />
Zustandsgrößen<br />
geschätzte<br />
Prozessgrößen<br />
Schätzung innerer<br />
Größen mittels<br />
Zustandsbeobachter<br />
Multiplikation<br />
mit Parametern<br />
Fehlergrößen<br />
+<br />
-<br />
Reale technische Anlage<br />
Eingangsgrößen<br />
Aktorik<br />
zu überwachendes<br />
technisches System<br />
Sensorik<br />
meßbare Prozessgrößen<br />
(Ausgangsgrößen<br />
und Meßbare<br />
Zustandsgrößen)<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 135
2.3 Prozessüberwachung<br />
Informationsorientierte<br />
Prozessüberwachung durch<br />
indirekten Modellvergleich<br />
auf Grundlage eines<br />
Identifikationsverfahrens<br />
Charakteristische<br />
Änderungen der<br />
Systemkoeffizienten<br />
bei Fehlern und<br />
Ausfällen<br />
Normalwert der<br />
physikalischen<br />
Systemkoeffizienten<br />
Fehlerursachen<br />
Vergleich<br />
+<br />
-<br />
Änderung der<br />
Systemkoeffizienten<br />
gegenüber den<br />
Normalwerten<br />
Berechnen von<br />
Systemkoeffizienten<br />
aus Modellparametern<br />
geschätzte<br />
Systemkoeffizienten<br />
AT II<br />
geschätzte Parameter<br />
Modell des technischen Prozesses<br />
mit geschätzten Parametern<br />
Ausgangsgrößen<br />
des Modells<br />
Parameterschätzung<br />
durch Minimierung der<br />
Summe der Fehlerquadrate<br />
Fehlergrößen<br />
+<br />
-<br />
Reale technische Anlage<br />
reale Ausgangsgrößen<br />
Eingangsgrößen<br />
Aktorik<br />
zu überwachendes<br />
technisches System<br />
Aktorik<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 136
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Frage 1 zu Kapitel 2.3<br />
Der Füllstand eines Behälters wurde bisher signalorientiert überwacht.<br />
Welche kritische Situation kann auf diese Weise nicht entdeckt werden? Wie<br />
würden Sie eine informationsorientierte Überwachung realisieren?<br />
Signalorientierte Überwachung<br />
der Füllhöhe<br />
Füllhöhe<br />
h<br />
cm<br />
Behälter<br />
Ventil<br />
Digitale Darstellung des Messwerts<br />
Antwort<br />
Ein Leck im Behälter kann nicht entdeckt werden<br />
Lösung: Betrachtung der zeitlichen Änderungen der Füllhöhe in Kombination mit<br />
den Stellgrößen für das Ventil<br />
WENN dh/dt < 0 UND Ventil = Geschlossen DANN Alarm(Leck)<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 137
2.3 Prozessüberwachung<br />
AT II<br />
Frage 2 zu Kapitel 2.3<br />
Für die Prozessüberwachung durch indirekten Modellvergleich kann eine<br />
Zustandsschätzung oder ein Identifikationsverfahren (Schätzung der<br />
Parameter) verwendet werden. Welches Verfahren würden Sie bei den<br />
folgenden Systemen anwenden? Begründen Sie Ihre Meinung.<br />
SYSTEM A<br />
SYSTEM B<br />
Einlassventil<br />
Füllstandsmelder<br />
R1<br />
Behälter<br />
A<br />
Behälter<br />
B<br />
Auslassventil<br />
U1<br />
R2<br />
U2<br />
R3<br />
Zustandsschätzung<br />
Füllniveau der Behälter ist energiekennzeichnende<br />
Größe = Zustandsgröße<br />
Identifikationsverfahren<br />
Fehler / Ausfälle wirken sich auf<br />
Modellparameter aus<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 138
AT II<br />
§ 2 <strong>Automatisierungsverfahren</strong><br />
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
2.3 Prozessüberwachung<br />
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
2.7 Zusammenfassung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 139
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Was sind Fließprozesse?<br />
– Fließprozesse: Technische Prozesse mit kontinuierlichen Vorgängen<br />
Zeitkontinuierliche Prozessgrößen<br />
Zeitdiskrete Prozessgrößen mit kontinuierlichem Wertebereich<br />
Beispiel: Heizung<br />
abströmende<br />
Wärmemenge<br />
Innentemperatur<br />
Heizkörper<br />
Umgebungs-<br />
Temperatur<br />
(<br />
u < ) u<br />
Pumpe<br />
Warmwasser-<br />
Heizkessel<br />
zugefügte<br />
Wärmemenge<br />
q e<br />
Brenner<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 140
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Modellierung von Fließprozessen (1)<br />
– Quantitative Beschreibung von Fließprozessen (zeitkontinuierlich oder<br />
zeitdiskret) ist Grundlage aller systemdynamischen bzw. regelungstechnischen<br />
Untersuchungen<br />
Gewöhnliche oder partielle Differential- oder Differenzengleichungen<br />
Differentialgleichung des Beispiels Heizung<br />
T<br />
d<br />
( t)<br />
dt<br />
( t)<br />
U<br />
( t)<br />
1<br />
c<br />
q<br />
e<br />
( t)<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 141
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Modellierung von Fließprozessen (2)<br />
Ermittlung eines analytischen<br />
Prozessmodells<br />
Vereinfachende Annahmen über<br />
den technischen Prozess<br />
Aufstellen von physikalischen oder<br />
chemischen Zusammenhängen<br />
Geeignete Umformung und Normierung,<br />
Anpassen der Parameter<br />
Ermittlung eines empirischen<br />
Prozessmodells<br />
Experimente am technischen Prozess:<br />
Messung von Prozessgrößenverläufen<br />
Ansatz eines (im allg.<br />
nichtlinearen) Ausdrucks<br />
Variation der Struktur und/oder der<br />
Parameter des Ansatzes zur Approximation<br />
der gemessenen Prozessgrößenverläufe<br />
Validierung des Modells (bezüglich<br />
Struktur und Parameter) durch<br />
Vergleich mit dem Verhalten des<br />
technischen Prozesses<br />
Validierung des Betriebsbereiches,<br />
in welchem die Approximation befriedigend<br />
ist<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 142
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Modellierung von Fließprozessen (3)<br />
– Aufstellung von physikalischen oder chemischen Zusammenhängen<br />
Anwendung von Erhaltungssätzen für Masse, Energie, Impuls<br />
(Bilanzgleichungen)<br />
Einführung von Aggregatzustandsgleichungen bei unterschiedlichen<br />
Aggregatzuständen<br />
Einführung von phänomenologischen Gesetzen bei irreversiblen<br />
Vorgängen<br />
Aufstellung von Entropiebilanzgleichungen bei mehreren irreversiblen<br />
Vorgängen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 143
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Signalflusspläne (Wirkungspläne)<br />
– Beschreibung von Differential- oder Differenzengleichungen in Form von<br />
Eingangs-Ausgangs-Modellen<br />
Eingangssignal-<br />
(vektor) e(t)<br />
Übertragungsblock f(e)<br />
Ausgangssignal-<br />
(vektor) a(t)<br />
e(t)<br />
a(t) = f(e(t))<br />
a(t)<br />
Beschreibung durch:<br />
‣ Differentialgleichung<br />
‣ Übertragungsfunktion F(p) = a(p) / e(p) für Laplace-transformierte Signale e(p) und a(p)<br />
‣ Frequenzgangfunktion für harmonische Eingangssignale (mit p = jω)<br />
‣ Sprungantwort auf plötzliche Änderung der Eingangssignale<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 144
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Elementare Signalflussstrukturen<br />
– Verkettung<br />
x<br />
K1<br />
K1*x<br />
K2<br />
K2*K1*x<br />
– Verzweigung<br />
x<br />
x<br />
x<br />
– Summation x1<br />
x2<br />
x3<br />
+<br />
– -x1 + x2 + x3<br />
+<br />
– Multiplikation<br />
und Division<br />
x1<br />
x1 * x2<br />
x1<br />
x1 / x2<br />
x2<br />
x2<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 145
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Elementare Übertragungsglieder<br />
Übertragungsfunktion<br />
Sprungantwort<br />
Proportional-<br />
Element<br />
(Verstärker)<br />
F(p) = K<br />
Integral-Element<br />
F(p) = 1<br />
p<br />
Differential-<br />
Element<br />
F(p) = p<br />
PT1-Element<br />
(Verzögerung,<br />
Tiefpass 1. Ord.) F(p) =<br />
1<br />
1+pT<br />
PT1-Element kann auf Integral-Elemente zurückgeführt werden<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 146
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Beispiel: Ermittlung des Prozessmodells einer<br />
fremderregten Gleichstrommaschine (1)<br />
U Klemmenspannung<br />
U q<br />
– Ersatzschaltbild<br />
I R A<br />
U q<br />
I Ankerstrom<br />
U<br />
L A<br />
Induzierte Motorspannung<br />
L A Anker-Induktivität<br />
R A Anker-Widerstand<br />
Drehzahl<br />
M Moment<br />
J ges Gesamtträgheitsmoment<br />
M W Widerstandsmoment<br />
– Gleichungen:<br />
U = L A * dI/dt + R A * I + U q (Maschenregel)<br />
U q = c *<br />
(Motorgleichung)<br />
M = c * I<br />
(Motorgleichung)<br />
M - M W = J ges * d /dt (Drehimpuls)<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 147
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Beispiel: Ermittlung des Prozessmodells einer<br />
fremderregten Gleichstrommaschine (2)<br />
– Resultierender Signalflussplan<br />
Verwendung normierter Größen (Kleinbuchstaben)<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 148
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Prozessführung von Fließprozessen<br />
Prozessführung:<br />
Gezielte Beeinflussung<br />
des<br />
technischen<br />
Prozesses<br />
Ebene der Produktionsführung<br />
(Produktionsleitebene)<br />
Ebene der Führung<br />
einer technischen<br />
Anlage<br />
(Prozessleitebene)<br />
Ebene der Führung<br />
einzelner Prozessgrößen<br />
(Prozess-Signal-Ebene)<br />
Produktionsmaßnahme:<br />
Um ein Produkt mit bestimmten Eigenschaften<br />
zu erhalten, soll in einem Reaktor<br />
ein bestimmter pH-Wert eingestellt werden<br />
Pumpen-<br />
Steuerung<br />
Dosierer<br />
Anweisung:<br />
Pumpe<br />
Ein/Aus<br />
Ausführungsauftrag:<br />
Soll-pH-Wert einstellen<br />
Ventil-Stellungsregler<br />
Ventil-<br />
Steuerung<br />
Ventilstellung<br />
pH-Wert im Reaktor<br />
(Ist-Wert)<br />
Anweisung: Soll-Wert<br />
des Säurezuflusses<br />
einstellen<br />
Ist-Wert des<br />
Säurezuflusses<br />
M<br />
Säurezufluss<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 149
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Klassifizierung von Prozessgrößen<br />
– Eingangsgrößen<br />
(Stellgrößen), um auf das<br />
Prozessgeschehen gezielt<br />
einzuwirken<br />
– Ausgangsgrößen<br />
(Ergebnisgrößen), die den<br />
Ablauf des technischen<br />
Prozesses und dessen<br />
Ergebnisse (Produkte)<br />
kennzeichnen<br />
– Störgrößen, die den Ablauf<br />
des technischen Prozesses<br />
und die Prozessergebnisse<br />
in unerwünschter Weise<br />
beeinflussen können<br />
a) Darstellung einzelner Eingangs-, Ausgangs- und<br />
Störgrößen<br />
Störgrößen<br />
Eingangsgrößen<br />
b) Vereinfachte Darstellung mit Doppelpfeilen zur<br />
symbolischen Darstellung von Bündeln einzelner<br />
Prozessgrößen<br />
Eingangsgrößen<br />
Technischer<br />
Prozess<br />
Technischer<br />
Prozess<br />
Störgrößen<br />
Ausgangsgrößen<br />
Ausgangsgrößen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 150
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Strategien zur Prozessführung von Fließprozessen<br />
– Steuerungsstrategie (Feed-forward-Strategie)<br />
– Regelungsstrategie (Feed-back-Strategie)<br />
– Mischformen und Kombinationen möglich<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 151
nicht erfassbare<br />
Störgrößen<br />
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Steuerungsstrategie<br />
erfassbare<br />
Störgrößen<br />
Führungssignale<br />
Steuereinrichtung<br />
Stellsignale<br />
Aktoren<br />
Prozesseingangsgrößen<br />
Technischer<br />
Prozess<br />
(Fließprozess)<br />
Prozessausgangsgrößen<br />
offene Wirkungskette<br />
– Zusammenhänge zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen müssen<br />
exakt bekannt sein<br />
– Nicht-messbare Störgrößen wirken sich auf Ausgangsgrößen aus<br />
– Analog zu synchroner Programmierung bzw. staatliche Planwirtschaft<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 152
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Regelungsstrategie<br />
Störgrößen<br />
Stellsignale<br />
Aktoren<br />
Technischer<br />
Prozess<br />
(Fließprozess)<br />
Regeleinrichtung<br />
Prozesseingangsgrößen<br />
Führungssignale<br />
Prozessausgangsgrößen<br />
Geschlossener Wirkungskreis<br />
Sensorsignale<br />
Sensoren<br />
Regelgrößen<br />
– Keine exakte Kenntnis der Zusammenhänge zwischen Eingangs- und<br />
Ausgangsgrößen erforderlich<br />
– Beliebige Störgrößen können ausgeregelt werden<br />
– Rückkopplungseffekte, Stabilitätsprobleme<br />
– Analog zu asynchroner Programmierung bzw. Marktwirtschaft<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 153
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Der PID-Regler<br />
Sollgröße w<br />
(Führungsgröße)<br />
Istgröße x<br />
(Regelgröße)<br />
K P<br />
K P<br />
T n *P<br />
K p *T V *p<br />
Proportional-Anteil<br />
Integral-Anteil<br />
Stellgröße y<br />
Differential-Anteil<br />
– Industriestandard<br />
– Merkmale<br />
Proportional-Anteil: Schnelles Eingreifen (Ausregeln)<br />
Integral-Anteil: Gute statische Regelgüte (keine bleibende Regelabweichung)<br />
Differential-Anteil: Schnelleres Eingreifen durch antizipierte Abweichung<br />
– Häufig: Verzicht auf D-Anteil da anfällig für hochfrequente Störungen<br />
Störungen werden durch D-Anteil verstärkt<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 154
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Analyse von Regelkreisen<br />
Regler<br />
z1<br />
w +<br />
y –<br />
–<br />
G(p)<br />
+<br />
Regelstrecke<br />
H(p)<br />
+<br />
z2<br />
–<br />
x<br />
w Führungsgröße<br />
y Stellgröße<br />
z Störgröße<br />
x Regelgröße<br />
– Führungsübertragungsfunktion (z1=z2=0)<br />
F G<br />
( p)<br />
x<br />
w<br />
G(<br />
p)*<br />
H ( p)<br />
1 G(<br />
p)*<br />
H ( p)<br />
Polstellen entsprechen<br />
physikalischen Speicher<br />
"Ordnung"<br />
– Störübertragungsfunktion (w=0, z2=0 bzw. z1=0)<br />
( x H(<br />
p)<br />
F Z 1<br />
p)<br />
z1<br />
1 G(<br />
p)*<br />
H(<br />
p)<br />
( x 1<br />
F Z 2<br />
p)<br />
z2<br />
1 G(<br />
p)*<br />
H ( p)<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 155
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Dimensionierung von Regelkreisen<br />
– Zielsetzung: Dimensionierung der Reglerparameter so dass ...<br />
– Ansatz<br />
die Führungsgröße möglichst schnell eingestellt wird,<br />
Störgrößen möglichst schnell ausgeregelt werden,<br />
keine Stabilitätsprobleme auftreten.<br />
Entscheidend für das Führungsverhalten sind die Polstellen der Führungsübertragungsfunktion<br />
(Polstellen müssen negativen Realteil aufweisen)<br />
Polstellen können entweder auf Basis eines Gütekriteriums ermittelt werden<br />
oder aus Tabellen von Standard-Übertragungsfunktionen entnommen werden<br />
Video: Automatisiertes Hovercraft<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 156
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Kaskadierende Reglerstrukturen<br />
– Konzept: Verwendung unterlagerter Regelschleifen<br />
Kaskadenstruktur<br />
w2<br />
+<br />
–<br />
G2(p)<br />
w1 +<br />
–<br />
G1(p)<br />
H1(p)<br />
x1<br />
H2(p)<br />
x2<br />
Unterlagerte Schleife<br />
Überlagerte Schleife<br />
– Vorteil: Einfachere Behandlung von Strecken höherer Ordnung<br />
Falls unterlagerte Schleife deutlich schneller arbeitet als überlagerte Schleife<br />
kann für letztere x1 = w1 angenommen werden, wodurch sich der Regelkreis<br />
deutlich vereinfacht.<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 157
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Abtastregelungen (digitale Regelungen)<br />
w(t)<br />
A<br />
D<br />
w(kT)<br />
Digitaler<br />
Regler<br />
y(kT)<br />
D<br />
A<br />
y(t)<br />
Regelstrecke<br />
x(kT)<br />
D<br />
A<br />
Meßwertumfomer<br />
x(t)<br />
– Signale müssen gemäß Abtasttheorem mit<br />
Abtast 2* Grenz abgetastet werden<br />
(Abtastfrequenz Abtast, maximale<br />
reproduzierbare Signalfrequenz Grenz)<br />
– Quasi-kontinuierlicher Reglerentwurf falls<br />
Abtastung deutlich schneller als<br />
Prozessdynamik. Ansonsten explizite<br />
Diskretisierung erforderlich.<br />
T<br />
x(t)<br />
t<br />
x(kT)<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 158
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Weiterführende Konzepte<br />
– Zustandsregelungen<br />
– Zustandsbeobachter<br />
– Prädiktive Regelungen<br />
– Adaptive Regelungen<br />
"Online"-Anwendung von<br />
Prozessmodellen<br />
Modell des<br />
technischen<br />
Prozesses<br />
Stellsignale<br />
Regeleinrichtung<br />
Führungssignale<br />
Prozessausgangsgrößen<br />
Technischer<br />
Prozess<br />
(Fließprozess)<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 159
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Frage 1 zu Kapitel 2.4<br />
Zur Beschreibung der Spannung durch einen nicht-linearen Widerstand in<br />
Abhängigkeit vom Strom wird ein Polynom mit einem linearen und einem<br />
quadratischen Glied angesetzt.<br />
Handelt es sich hierbei um ein analytisches oder ein empirisches Modell?<br />
Antwort<br />
Empirisches Modell, da Grundlage der Modellbildung eine Messung der Einund<br />
Ausgangsgrößen des technischen Prozesses ist, welche durch ein<br />
Polynom approximiert wird.<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 160
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
AT II<br />
Frage 2 zu Kapitel 2.4<br />
Ein Aufzug soll unabhängig von der Anzahl mitfahrender Personen immer die<br />
gleiche Geschwindigkeit aufweisen. Dazu bieten sich zwei Verfahren an:<br />
a) Ansteuerung des Aufzugmotors entsprechend der durch<br />
Gewichtsmessung ermittelten Anzahl mitfahrender Personen.<br />
b) Ansteuerung des Aufzugmotors entsprechend der Abweichung der<br />
gemessenen Aufzugs-Geschwindigkeit von der gewünschten<br />
Geschwindigkeit.<br />
In beiden Fällen sollen kontinuierliche Ansteuerungsgrößen verwendet<br />
werden (z.B. Klemmenspannung am Motor) und keine binären Signale.<br />
Handelt es sich bei den vorgestellten Verfahren um Steuerungs- oder<br />
Regelungsstrategien?<br />
Antwort<br />
a) Steuerungsstrategie (offener Wirkungskreis)<br />
b) Regelungsstrategie (geschlossener Wirkungskreis)<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 161
AT II<br />
§ 2 <strong>Automatisierungsverfahren</strong><br />
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
2.3 Prozessüberwachung<br />
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
2.7 Zusammenfassung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 162
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Was sind Folge- und Stückprozesse?<br />
– Folge-Prozesse<br />
Teilvorgänge laufen schrittweise nacheinander ab<br />
Z.B. Fertigungsprozesse, Zigarettenautomat<br />
– Stück(gut)-Prozesse<br />
Umformung, Transport, Speicherung von Objekten<br />
Z.B. Verkehrsprozesse<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 163
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Modellierung von Folge- und Stückprozessen<br />
Getrennte Modellierung von technischem Prozess und Prozessführung bzw.<br />
Steuerung (wie bei Fließprozessen) nur schwer möglich!<br />
– Verwendung von Zustandsmodellen<br />
Diskrete Systemzustände<br />
Ereignisse als Zustandsübergänge<br />
Steuersignale sind wesentliche Ereignisse<br />
– Bei Stückprozessen: Zuordnung von diskreten Zuständen und Ereignissen<br />
auf zeitliches und örtliches Verhalten der Objekte<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 164
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Zuordnung des zeitlichen und örtlichen Verhaltens eines<br />
Stückprozesses auf diskrete Zustände und Ereignisse<br />
Diskrete Zustände<br />
Aufzug wird abgebremst<br />
Aufzug fährt<br />
Aufzug steht, Türe wird entriegelt<br />
Aufzug steht, Türe wird verriegelt<br />
Aufzug steht, Türe in Bewegung<br />
Aufzug steht, Türe offen<br />
Position des Fahrkorbs [m]<br />
t<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
t<br />
Diskrete Ereignisse<br />
(bzw. erfüllte Bedingungen)<br />
Befehl<br />
„Türe zu“<br />
Fahr-<br />
Befehl<br />
Türe geschlossen<br />
Bremskontakt<br />
aktiviert<br />
Haltekontakt<br />
aktiviert<br />
Befehl<br />
„Türe auf“<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 165
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Prozessführung von Folge- und Stückprozessen mittels<br />
diskreter Steuerungen<br />
– Unterscheidung bzgl. Verfahren<br />
Verknüpfungssteuerungen (Freifolgesteuerungen)<br />
<br />
Eingangssignale werden direkt zu Ausgangssignalen verknüpft<br />
Ablaufsteuerungen (Zwangsfolgesteuerungen)<br />
<br />
Unterteilung in zeitlich nacheinander auszuführende Schritte<br />
– Unterscheidung bzgl. der Realisierungsform<br />
Verbindungsprogrammierte Steuerungen<br />
Speicherprogrammierte Steuerungen<br />
elektrische<br />
Verbindungen, Relais,<br />
Logikbausteine, etc.<br />
SPS<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 166
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Verknüpfungssteuerungen<br />
– Zustandslose Verknüpfung von Eingangssignalen zu Ausgangssignalen<br />
‣ Technischer Prozess definiert Zustand Freifolgesteuerung<br />
– Beschreibung mit Logikverknüpfungen<br />
‣ Beispiel: Funktionsbausteine nach DIN 40900<br />
& 1 =1 1<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 167
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Beispiel einer Verknüpfungssteuerung:<br />
Steuerung eines Transportbandes<br />
Transportband<br />
• Band läuft wenn<br />
Silo 1 nicht leer<br />
und Silo 2 nicht<br />
voll<br />
• Band läuft wenn<br />
Taster für<br />
Wartungsarbeiten<br />
gedrückt<br />
• Warnlampe<br />
leuchtet wenn<br />
Silo 2 voll<br />
Silo 1<br />
E1 (Füllstandssensor)<br />
A1 (Bandmotor)<br />
Silo 2<br />
E3 (Taster für<br />
Wartungsarbeiten)<br />
E2 (Füllstandssensor)<br />
A2 (Warnlampe)<br />
Verknüpfungssteuerung<br />
E1<br />
E2<br />
E3<br />
&<br />
A1<br />
1 A1<br />
A2<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 168
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Ablaufsteuerungen<br />
– Erzwingung einer spezifischen Abfolge durch internen Zustand<br />
‣ Unterteilung in zeitlich nacheinander auszuführende Schritte<br />
‣ Weiterschaltbedingung (Transition) muss jeweils erfüllt sein<br />
Zwangsfolgesteuerung<br />
– Beschreibung mit zustands-/ereignisorientierten Modellierungskonzepten<br />
‣ Endliche Automaten<br />
‣ Zustandsgraphen<br />
‣ Zustandstabellen<br />
‣ Schrittketten<br />
‣ Petri-Netze<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 169
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Endliche Automaten<br />
– Wichtiges Zustands-/ereignisorientiertes Modellierungskonzept<br />
– Gegenstand der Automatentheorie<br />
Beschreibung eines endlichen Automaten<br />
X: endliche Zustandsmenge<br />
• Innere Parameter<br />
• Speicherzustände<br />
u(n)<br />
x(n)<br />
y(n)<br />
U: endliche Eingangsmenge<br />
• Eingaben<br />
• Eingabezeichen<br />
• Eingabeaktionen<br />
Y: endliche Ausgangsmenge<br />
• Ausgaben<br />
• Ausgabezeichen<br />
• Ausgabeaktionen<br />
Zustandsübergangsfunktion: y(n) =<br />
[u(n),x(n)]<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 170
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Endliche Automaten<br />
Automatentypen<br />
- Moore-Automat<br />
Ausgabewert nur vom aktuellem Zustand abhängig<br />
Zustandsübergangsfunktion: y(n) = [x(n)]<br />
- Mealy-Automat<br />
Ausgabewert vom aktuellem Zustand und der Eingabemenge abhängig<br />
Zustandsübergangsfunktion: y(n) = [u(n),x(n)]<br />
- Kombinatorischer Automat (speicherfreier Automat)<br />
Ausgabewert nur von der Eingabemenge abhängig<br />
Zustandsübergangsfunktion: y(n) = [u(n)]<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 171
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Beispiel eines Zustandsgraphs zur Darstellung eines<br />
endlichen Automaten (Live-Mitschrieb)<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 172
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Beispiel einer Zustandstabelle<br />
Aktueller Zustand Ereignis Aktion Folgezustand<br />
Aufzug steht Startknopf gedrückt Motor einschalten Aufzug fährt<br />
Aufzug fährt<br />
Bremspunkt erreicht<br />
Motorleistung<br />
reduzieren<br />
Aufzug bremst<br />
Aufzug bremst Haltepunkt erreicht Motor ausschalten Aufzug steht<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 173
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Beispiel einer Schrittkette<br />
Rührkessel leer<br />
Bodenventil zu<br />
Startknopf ein<br />
&<br />
S1<br />
Startzustand<br />
T1<br />
S2<br />
Lösungsmittel<br />
dosieren<br />
S7-Graph<br />
Temperatur ok<br />
T2<br />
T3<br />
Temperatur<br />
zu niedrig<br />
S3<br />
Heizen<br />
T4<br />
Temperatur<br />
erreicht<br />
S4<br />
Rühren<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 174
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Modellbildung mit Petri-Netzen<br />
– Verallgemeinerte Form der Zustandsmodelle<br />
– Erstmalig in der Dissertation von Carl Petri im Jahre 1961 vorgestellt<br />
– Speziell zur Darstellung paralleler Abläufe geeignet<br />
Notation für Stellen/Transitionen-Netze<br />
falls<br />
nicht<br />
notiert<br />
Stelle S1<br />
"Motor steht"<br />
mit Marke<br />
Transition T1<br />
"Motor laufen lassen"<br />
1 1<br />
(1) (1)<br />
1 1<br />
Transition T2<br />
"Motor abstellen"<br />
1 falls<br />
nicht<br />
notiert<br />
Stelle S2<br />
"Motor läuft"<br />
ohne Marke<br />
– Stellen<br />
Passive Elemente<br />
Nehmen Marken auf<br />
entsprechend Kapazität<br />
– Transitionen<br />
Aktive Elemente<br />
Verursachen Markenfluss durch<br />
Schaltvorgänge<br />
– Gerichtete Kanten (Pfeile)<br />
Verbinden Stellen mit<br />
Transitionen und umgekehrt<br />
Kantengewichtung beeinflusst<br />
Markenfluss<br />
"Reines Petri-Netz" falls<br />
Vorgänger Nachfolger einer<br />
Transition/Stelle<br />
Sonderfall: "Bedingungs/Ereignis-Netz" für Kapazität = Kantengewichtung = 1<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 175
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Schaltregeln von Petri-Netzen<br />
Eingangsstellen<br />
Ausgangsstellen<br />
Eingangsstellen<br />
Ausgangsstellen<br />
S e1<br />
S e2<br />
S e3<br />
S a1<br />
S a2<br />
Netzzustand vor dem Schalten<br />
S e1<br />
S e2<br />
S e3<br />
S a1<br />
S a2<br />
– Schalten (feuern) einer Transition<br />
Allen Eingangsstellen werden Marken<br />
entzogen entsprechend dem Gewicht<br />
der verbindenden Kanten<br />
Allen Ausgangsstellen werden Marken<br />
hinzugefügt entsprechend dem<br />
Gewicht der verbindenden Kanten<br />
– Schaltbedingung: Es muss eine<br />
gültige Folgemarkierung entstehen<br />
Die Eingangsstellen müssen mit<br />
ausreichend Marken belegt sein<br />
Die Ausgangsstellen müssen<br />
ausreichend freie Kapazitäten haben<br />
Netzzustand nach dem Schalten<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 176
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Elementare Netzkonstruktionen<br />
Beispiel<br />
Elementare Verknüpfungen<br />
Sequenz<br />
T1<br />
T2<br />
Alternative<br />
T1<br />
T3<br />
T2<br />
T4<br />
Verzweigung Zusammenführung<br />
Nebenläufigkeit<br />
T1<br />
T3<br />
T2<br />
Aufspaltung<br />
Synchronisation<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 177
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Darstellung von Nebenläufigkeiten<br />
Modell Asynchrone Nebenläufigkeiten Synchronisierte Nebenläufigkeiten<br />
Getrennte<br />
Zustandsgraphen<br />
1 2 3<br />
4 5 6<br />
1-4<br />
1-5<br />
1-6<br />
1-4<br />
1-5<br />
1-6<br />
Globaler<br />
Zustandsgraph<br />
2-4<br />
2-5<br />
2-6<br />
2-4<br />
2-5<br />
2-6<br />
3-4<br />
3-5<br />
3-6<br />
3-4<br />
3-5<br />
3-6<br />
Petri-Netz<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 178
T1 Λ T3<br />
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Der Markierungsgraph<br />
Petri-Netz<br />
Markierungsgraph<br />
Ausgangs-Markierung<br />
S1<br />
S2<br />
T1<br />
T 1 T3<br />
T 3<br />
T2<br />
T 2<br />
S3<br />
S4<br />
Folge-<br />
Markierung<br />
T1<br />
0 1 1 0<br />
T3<br />
1 0 1 0<br />
T2<br />
0 1 0 1<br />
T3<br />
1 0 0 1<br />
T1<br />
Notation:<br />
S1 S2 S3 S4<br />
Graphische Darstellung der Erreichbarkeitsmenge<br />
Voraussetzung: Beschränktheit des Petri-Netzes<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 179
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Eigenschaften von Petri-Netzen<br />
– Verklemmung (Deadlock)<br />
Totale Verklemmung: Es existiert eine Markierung, von welcher aus keine<br />
Transition mehr schalten kann.<br />
Partielle Verklemmung: Es existiert eine Markierung, von welcher aus nur noch<br />
ein Teil aller Transitionen aktivierbar ist.<br />
– Lebendigkeit<br />
Lebendige Transition: Transition, die von jeder Markierung aus aktivierbar ist.<br />
Lebendiges Netz: Netz mit ausschließlich lebendigen Transitionen.<br />
– Reversibilität<br />
Die Anfangsmarkierung eines Netzes ist von jeder Folgemarkierung aus<br />
reproduzierbar.<br />
Lebendiges Netz = keine Verklemmungen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 180
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Beispiele für Verklemmung und Lebendigkeit<br />
Beispiel 1<br />
Beispiel 2<br />
Beispiel 3<br />
T 1<br />
T 1<br />
T 1<br />
T 4<br />
T 3<br />
T 2<br />
T 3<br />
T 2<br />
T 3<br />
T 2<br />
Lebendiges und<br />
reversibles Netz<br />
Nicht lebendiges Netz mit<br />
totaler Verklemmung<br />
Schaltsequenz: T 3 T 1 T 2<br />
Nicht lebendiges Netz mit<br />
partieller Verklemmung<br />
T 3 schaltet nur zu Beginn<br />
Ähnliche Struktur aber Unterschiede im dynamischen Verhalten<br />
Video: Modellierung von Steuerungen mit Zustandsmodellen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 181
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Steuerungstechnisch interpretierte Petri-Netze (SIPN)<br />
– Problemspezifische Interpretation der Netzelemente<br />
Stellen: Modellierung von Systemzuständen<br />
Transitionen: Modellierung von Veränderungen und auslösenden Ereignissen<br />
– Verknüpfung der Netzelemente mit Ein- und Ausgangsgrößen<br />
Transitionen werden boolesche Funktionen der Eingangsgrößen zugeordnet<br />
Stellen werden Berechnungsvorschriften für die Umrechnung der Eingangsgrößen<br />
in ihre Ausgangsgrößen zugeordnet.<br />
– Schaltregeln im SIPN<br />
Eine aufgrund der Netzmarkierung schaltfähige Transition kann erst schalten,<br />
wenn auch ihre zugeordnete boolesche Funktion (Schaltausdruck) wahr ist.<br />
Eine so schaltfähige Transition muss schalten.<br />
Nur für markierte Stellen werden die Ausgabefunktionen ausgewertet. Die<br />
Gesamtausgabe eines SIPN bei einer Markierung M entsteht durch<br />
Überlagerung aller Ausgaben der bei M markierten Stellen.<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 182
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Beispiel eines SIPN: Flexibles Fertigungssystem (1)<br />
Bearbeitung von<br />
Werkstücken A<br />
mit beiden<br />
Handhabungsgeräten<br />
B<br />
A<br />
II<br />
B<br />
A<br />
I<br />
B<br />
Bearbeitung von<br />
Werkstücken B<br />
nur mit Handhabungsgerät<br />
II<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 183
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Beispiel eines SIPN: Flexibles Fertigungssystem (2)<br />
Ein- und Ausgangsgrößen,<br />
Systemzustände<br />
Petri-Netz<br />
Eingangsgrößen:<br />
x1: Neues Werkstück A erkannt<br />
x2: Bearbeitung Werkstück A fertig<br />
x3: Neues Werkstück B erkannt<br />
x4: Bearbeitung Werkstück B fertig<br />
y1=0<br />
S5<br />
S6<br />
y2=0<br />
Ausgangsgrößen:<br />
y1: Handhabungsgerät I an<br />
y2: Handhabungsgerät II an<br />
Systemzustände (Stellen)<br />
S1: Keine Bearbeitung Werkstück A<br />
S2: Werkstück A in Bearbeitung<br />
S3: Keine Bearbeitung Werkstück B<br />
S4: Werkstück B in Bearbeitung<br />
S5: Handhabungsgerät I frei<br />
S6: Handhabungsgerät II frei<br />
S1<br />
T1<br />
S2<br />
T2<br />
x1<br />
y1=1<br />
y2=1<br />
x2<br />
T3<br />
S4<br />
T4<br />
x3<br />
y2=1<br />
x4<br />
S3<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 184
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Graphentheoretische Analyse<br />
Bedeutung: Gewünschtes dynamisches Verhalten kann im allgemeinen<br />
konstruktiv nicht erzwungen werden<br />
Modellierung als<br />
Petri-Netz<br />
Konstruktion des<br />
Überdeckungsgraphen<br />
Beschränktheit<br />
nein<br />
ja<br />
Konstruktion eines<br />
Markierungsgraphen<br />
Kondensation des<br />
Markierungsgraphen<br />
totale Verklemmung<br />
Erreichbarkeit<br />
totale Verklemmung<br />
partielle Verklemmung<br />
Lebendigkeit<br />
Reversibilität<br />
Lebendigkeit hiermit<br />
nicht nachweisbar<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 185
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Auswertung eines Markierungsgraphen<br />
Ableitung folgender Eigenschaften aus den Markierungsgraphen<br />
– Totale Verklemmung<br />
Falls ein Markierungsvektor keine auslaufende Kante besitzt<br />
– Erreichbarkeit (und Weg zu) einer Markierung<br />
Schaltsequenz zu Markierungsvektor kann direkt abgelesen werden<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 186
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Beispiel für die Auswertung eines Markierungsgraphen<br />
0 1 0 1 0 0<br />
Start<br />
T 4 T<br />
T 2<br />
T 6<br />
T 5 1<br />
0 0 0 1 1 0<br />
1 1 0 0 0 0<br />
0 0 0 1 0 1<br />
T T 5 1<br />
T 6<br />
T 3<br />
T T 4 T T 8<br />
2<br />
T 1 7<br />
T 1<br />
1 0 0 1 0 0<br />
1 0 0 0 1 0<br />
1 0 0 0 0 1<br />
T 2<br />
T 2<br />
0 0 1 1 0 0<br />
Tote Markierung<br />
totale Verklemmung<br />
T 8<br />
T 7<br />
1 0 1 0 0 0<br />
Eine mögliche Schaltsequenz zur toten Markierung: T1 T5 T2 T3<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 187
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Kondensation eines Markierungsgraphen<br />
– Ermittlung "stark zusammenhängender" Teilgraphen (Kondensation)<br />
Sämtliche Markierungen innerhalb eines stark zusammenhängenden<br />
Teilgraphen (starke Komponente) sind gegenseitig erreichbar<br />
Quelle/Senke-Beziehung zwischen starken Komponenten eines<br />
Markierungsgraphen<br />
– Ableitung folgender Eigenschaften aus der Kondensation<br />
Reversibilität<br />
Der gesamte Markierungsgraph ist stark zusammenhängend.<br />
Totale Verklemmung<br />
Es existiert eine Senke, die nur aus einem Knoten besteht.<br />
Partielle Verklemmung<br />
Es existiert eine Senke, die nicht sämtliche Transitionen enthält.<br />
Lebendigkeit<br />
Jede Senke der Kondensation enthält sämtliche Transitionen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 188
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Beispiel für die Kondensation eines Markierungsgraphen<br />
Keine<br />
Reversibilität<br />
Totale<br />
Verklemmung<br />
0 1 0 1 0 0<br />
T 4 T<br />
T 2<br />
T 6<br />
T 5 1<br />
0 0 0 1 1 0<br />
1 1 0 0 0 0<br />
0 0 0 1 0 1<br />
T T 5 1<br />
T 6<br />
T 3<br />
T T 4 T T 8<br />
2<br />
T 1 7<br />
T 1<br />
Partielle<br />
Verklemmung,<br />
keine<br />
Lebendigkeit<br />
1 0 0 1 0 0<br />
1 0 0 0 1 0<br />
1 0 0 0 0 1<br />
T 2<br />
T 2<br />
0 0 1 1 0 0<br />
Starke<br />
Komponente K3<br />
(Senke)<br />
Starke Komponente K1<br />
(Quelle)<br />
T 8<br />
T 7<br />
1 0 1 0 0 0<br />
Starke Komponente K2<br />
(Senke)<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 189
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Mathematische Darstellung eines Petri-Netzes<br />
(1)<br />
1<br />
(1)<br />
T 1<br />
1<br />
S 1<br />
1 1<br />
S 2<br />
P = (S, T, F, K, W, M 0 ) mit<br />
Menge der Stellen S = {S 1 , S 2 }<br />
Menge der Transitionen T = {T 1 , T 2 }<br />
Menge der Kanten F = {(S 1 ,T 1 ), (T 1 ,S 2 ), (S 2 ,T 2 ), (T 2 ,S 1 )}<br />
Kapazität der Stellen K(S 1 ) = K(S 2 ) = 1<br />
Kantengewichtung W(SW<br />
1 ,T 1 ) = W(T 1 ,S 2 ) = ... = 1<br />
Ausgangsmarkierung M 0 (S 1 ) = 1, M 0 (S 2 ) = 0<br />
T 2<br />
Inzidenzmatrix<br />
w ij : Verknüpfung der Stelle i mit der Transition j<br />
w ij = 0 keine Verbindung<br />
w ij = W(T j ,S i ) Transition Stelle<br />
w ij = -W(S i ,T j ) Stelle Transition<br />
Erreichbare Markierungen<br />
M = M 0 + W • S<br />
M 0 Ausgangs-Markierung<br />
S Sequenzvektor<br />
z.B.<br />
S =<br />
1 T 1 schaltet einmal<br />
2 T 2 schaltet zweimal<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 190
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Algebraische Analyse (T-Invarianten)<br />
– Erreichbare Markierungen: M = M 0 + W • S<br />
M 0<br />
W<br />
S<br />
Ausgangs-Markierung<br />
Inzidenzmatrix<br />
Sequenzvektor<br />
– T-Invariante: Schaltsequenz zur Reproduzierung der Ausgangsmarkierung<br />
W • S = 0 (lineares Gleichungssystem)<br />
– Ableitung folgender Eigenschaften<br />
Bedingung für Reversibilität<br />
Es existiert eine nicht negative T-Invariante (Lösung des LGS).<br />
Bedingung für Lebendigkeit<br />
Es existiert eine positive T-Invariante (Lösung des LGS).<br />
Nur anwendbar bei "reinen" Petri-Netzen<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 191
Stellen<br />
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Beispiel einer algebraischen Analyse – Nachweis von<br />
Reversibilität und Lebendigkeit (Live-Mitschrieb)<br />
T 1<br />
1<br />
S 1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
S 2<br />
P = (S, T, F, K, W, M 0 ) mit<br />
Transitionen<br />
W =<br />
w 11 w 12 =<br />
w 21 w 22<br />
T 2<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 192
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Hierarchische Petri-Netze<br />
T 1<br />
T 1<br />
S 1 S 2<br />
T 5<br />
T 7 T 8<br />
S 1 S 2<br />
T 2 T 3 T 4<br />
T 6<br />
S 3 S 4 S 5<br />
T 2 T S<br />
3<br />
5<br />
S 3 S 4<br />
T 4<br />
Unternetz (D)<br />
A<br />
S 6<br />
B<br />
C<br />
D<br />
Hauptnetz (A)<br />
Hierarchie<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 193
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Zeitbehaftete Petri-Netze<br />
– Abbildung zeitbehafteter Vorgänge auf zeitlose Ereignisse<br />
Start des<br />
Vorgangs<br />
Vorgang<br />
läuft<br />
Ende des<br />
Vorgangs<br />
S V<br />
"zeitbehaftete Transition" T*<br />
z. B. mit Verzögerung 4s<br />
S N<br />
Relevant für Schaltregel<br />
ist Endzeitpunkt<br />
Marke "verschwindet"<br />
während Vorgang<br />
Relevant für Schaltregel<br />
ist Startzeitpunkt<br />
Relevant für Schaltregel<br />
ist Endzeitpunkt<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 194
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Erweiterte Petri-Netze<br />
– Individualisierung der Marken zur kompakteren Netz-Darstellung<br />
A<br />
B<br />
S 1<br />
S 3<br />
T 1<br />
T 3<br />
I II<br />
S 2 S 5 S 6<br />
S 4<br />
S 1<br />
T 1<br />
S 2<br />
A<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
x<br />
x<br />
S 7<br />
x є {A,B}<br />
f(x): {A,B} → {I,II}<br />
mit f(A) = I+II<br />
f(B) = II<br />
I<br />
II<br />
f(x)<br />
T 2<br />
T 4<br />
T 2<br />
x<br />
f(x)<br />
Stellen-Transitionen-Netz<br />
Prädikat-Transitionen-Netz<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 195
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Frage 1 zu Kapitel 2.5<br />
Welchen Aussagen stimmen Sie zu?<br />
f<br />
f<br />
f<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Der Anwendungsbereich diskreter Steuerungen sind Folge- und<br />
Stückgutprozesse.<br />
Man unterscheidet zwischen speicherprogrammierbaren<br />
Steuerungen und Ablaufsteuerungen.<br />
Ablaufsteuerungen werden auch als Freifolgesteuerungen bezeichnet.<br />
Verknüpfungssteuerungen haben Zustandsgrößen.<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 196
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
AT II<br />
Frage 2 zu Kapitel 2.5<br />
Für eine Montagelinie mit 2 Robotern wurde eine Lösungskonzeption mit Hilfe<br />
des nachfolgend abgebildeten Petri-Netzes entworfen. Untersuchen Sie, ob<br />
eine Verklemmung auftreten kann.<br />
T1<br />
S1<br />
T2<br />
S2<br />
Antwort (Live-Mitschrieb)<br />
S3<br />
S4<br />
T3<br />
S5<br />
T4<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 197
AT II<br />
§ 2 <strong>Automatisierungsverfahren</strong><br />
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />
2.3 Prozessüberwachung<br />
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
2.7 Zusammenfassung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 198
SAP/R3<br />
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
Ebenen der Prozessautomatisierung<br />
AT II<br />
Ziel: autarke Funktionen und<br />
Entscheidungen<br />
Prozessführungsebenen<br />
Unternehmensführung<br />
(corporate management)<br />
Betriebsführung<br />
(plant management<br />
Anlagenführung<br />
(process<br />
management)<br />
Maschinenführung<br />
(process control)<br />
Feld, Sensoren und<br />
Aktoren (field, sensors<br />
and actuators)<br />
Leitebenen Automatisierungsaufgaben<br />
Unternehmensleitebene<br />
Produktionsleitebene<br />
Prozessleitebene<br />
Feldebene<br />
langfristige Produktionsplanung,<br />
Kostenanalysen, Auftragsvergabe<br />
und -abwicklung, Statistiken<br />
Betriebsablaufplanung, Kapazitätsplanung,<br />
Terminüberwachung,<br />
Auswertung der Prozessergebnisse,<br />
Qualitätssicherung<br />
Prozessüberwachung,<br />
Fehlerdiagnose,<br />
Prozessoptimierung,<br />
An- und Abfahren,<br />
Störungsbehandlung,<br />
Prozesssicherung<br />
Steuern, Verriegeln, Regeln,<br />
Notbedienen, Grenzwertüberwachung,<br />
Schutz, Anzeigen,<br />
Registrieren<br />
Messen der analogen und binären<br />
Prozessgrößen, Stelleingriffe über<br />
Motoren, Ventile usw., Automatik/<br />
Hand-Umschaltung, Anzeigen vor Ort<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 199
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Informationsorientierte Betrachtungsweise<br />
Ziel:<br />
Optimierung des technisch-organisatorisch-wirtschaftlichen<br />
Gesamtsystems<br />
Alle in Zusammenhang mit der Automatisierung stehenden Bereiche und<br />
Auswirkungen werden berücksichtigt .<br />
– Führung eines Datenmodells, das Informationen über alle Bereiche und<br />
deren Beziehungen enthält (Informationshaushalt)<br />
– Prozesskommunikation beinhaltet alle Einrichtungen, Verfahren und<br />
Hilfsmittel für den Informationsaustausch zwischen Menschen und<br />
technischen Prozess<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 200
Automatisierungssystem "im Großen"<br />
Automatisierungssystem "im Kleinen"<br />
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Betrachung des Automatisierungssystems "im Großen”<br />
Logistik<br />
Instandhaltung<br />
Stellsignal<br />
Automatisierungs-<br />
Geräte<br />
Messsignale<br />
Technische<br />
Anlagen<br />
Informationen zur<br />
Prozessbeeinflussung<br />
<strong>Automatisierungsverfahren</strong><br />
Informationen über<br />
Prozessgrößen<br />
Technischer<br />
Prozess<br />
Mensch-<br />
Prozess-<br />
Kommunikation<br />
Einfluss, Zusammenhang<br />
Informationen bzw. Signale<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 201
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Datenmodell zur Beschreibung der Informationen<br />
Logistikmodell<br />
Instandhaltungsmodell<br />
Automatisierungsgerätemodell<br />
Anlagenmodell<br />
<strong>Automatisierungsverfahren</strong>modell<br />
Prozessmodell<br />
Kommunikationsmodell<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 202
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Anlagenführung<br />
– Aufgaben der Anlagenführung<br />
Anfahrvorgänge und Abfahrvorgänge<br />
Übergänge zwischen verschiedenen Betriebsarten<br />
Prozessüberwachung, Fehlerdiagnose, Prozesssicherung<br />
Erfolgt hauptsächlich durch Menschen (Operateure)<br />
– Zielsetzung: Unterstützung der Operateure<br />
Verbesserung der Mensch-Prozess-Kommunikation<br />
Bereitstellung von Beratungssystemen<br />
Video: Smartphone-basierte Diagnose<br />
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Prozessleitsystem<br />
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Mensch-Prozess-Kommunikation mit Hilfe eines<br />
Prozessleitsystems<br />
Informations-Darbietung<br />
Informations-Aufbereitung und -Konzentration<br />
zur Beschreibung des Prozesszustandes<br />
Signal-Auswertung<br />
Sensoren Aktoren Sensoren Sensoren<br />
Material- und<br />
Energiefluss<br />
Bedienpersonal<br />
Informationsfluss<br />
Produkt<br />
Technischer Prozess<br />
Produkt<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 204
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Beispiel: Leitwarte eines Kraftwerks mit Mensch-Prozess-<br />
Kommunikation mittels Großbildprojektion und Mausbedienung<br />
Übersichtsdarstellung<br />
des Kraftwerkprozesses<br />
Prozessübersicht mit<br />
Metaphern<br />
Diagnose und<br />
Alarmmeldungen<br />
Prozesszustandsdiagramme<br />
Videokonferenz<br />
Auswirkungen<br />
Videobild aus<br />
techn. Prozess<br />
Schematisches Fliessbild<br />
mit Wasser-Dampf-<br />
Kreislauf einschliesslich<br />
Kessel, Turbine und<br />
Speicherwassersystem<br />
Grafik oder<br />
Videobild<br />
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Technischer Prozess<br />
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Einsatz eines Beratungssystems als Bestandteil eines<br />
Prozessleitsystems<br />
Prozessleitsystem<br />
Beratungssystem<br />
Bedienpersonal<br />
Mensch-<br />
Prozess-<br />
Kommunikation<br />
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2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Informationsgewinnung aus heterogenen Datenquellen<br />
Einzelschritte „Suche“<br />
?<br />
<br />
Anwender<br />
Experte<br />
<br />
<br />
Zwischenergebnis<br />
Suchanfrage<br />
<br />
1 Suchanfrage<br />
2 Identifikation erforderlicher<br />
Datenquellen<br />
3 Planung Suchschritte<br />
Zwischenergebnis<br />
Zwischenergebnis<br />
Zwischenergebnis<br />
4 Ausführung Suchschritte<br />
Gesuchte<br />
Information<br />
<br />
<br />
Suchergebnis<br />
Zwischenergebnis<br />
5 Aggregation<br />
Zwischenergebnisse<br />
6 Suchergebnis<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 207
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Probleme bei der Informationsgewinnung<br />
Verarbeitung von Suchanfragen<br />
• Aufwändige manuelle Vorgehensweise<br />
• Identifikation relevanter Datenquellen<br />
• Umgang mit komplexen Suchanfragen<br />
• Spezifisches Anwenderwissen erforderlich<br />
Labordaten<br />
Semantik der Daten<br />
• Meist keine formale Beschreibung mit großem Aufwand durch<br />
anwenderspezifisches Erfahrungswissen interpretierbar<br />
• Gleiche Begriffe mit unterschiedlicher, kontextabhängiger Bedeutung<br />
• Gefahr von Fehlinterpretationen, Inkonsistenzen, Redundanzen<br />
• Gemeinsame Datenbasis und Softwarewerkzeuge, die darauf<br />
arbeiten, wegen Komplexität und Abhängigkeiten schwierig<br />
Einsatz von Ontologien<br />
Prozessdaten<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 208
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Ontologie als semantische Technologie<br />
• Vokabular um Wissen zu repräsentieren und wiederverwendbar zu machen<br />
• Beschreibung eines abgrenzbaren<br />
Wissensbereichs (z.B. Produktion, Labor)<br />
• Repräsentation von Begriffen, Beziehungen<br />
und Sinnzusammenhängen zwischen Begriffen<br />
Beispiel:<br />
Ontologie „Logistik“<br />
Begriffe<br />
Ontologie „Produktion“<br />
Beziehungen<br />
Logistik:Produktionsauftrag<br />
Produziert Logistik:Charge<br />
Ist zugeordnet<br />
Beinhaltet<br />
Beinhaltet<br />
Logistik:Produktionsbetrieb<br />
Logistik:Chargenbezeichnung<br />
Logistik:Chargennummer<br />
Ontologie „Labor“<br />
Beinhaltet<br />
Logistik:Lagerort<br />
Produktion:Grundrezept<br />
Beinhaltet<br />
Logistik:Stückzahl<br />
Labor:Prüfung<br />
Produktion:Produktionsauftrag Ist Vorlage für<br />
Labor:Produktionsbetrieb<br />
Besteht aus<br />
Gehört zu<br />
Produktion:Steuerrezept<br />
Beinhaltet<br />
Beinhaltet<br />
Produktion:Status<br />
Produktion:Startzeit<br />
Produziert<br />
Labor:Charge<br />
Ist zugeordnet<br />
Labor:Probe<br />
Beinhaltet<br />
Beinhaltet<br />
hat<br />
Labor:Limit<br />
Labor:Maxwert<br />
Labor:Minwert<br />
Beinhaltet<br />
Beinhaltet<br />
Produktion:Endezeit<br />
Produktion:Charge<br />
„Logistik”<br />
Ist zugeordnet<br />
Labor:Probeergebnis<br />
Beinhaltet<br />
Ist zugeordnet<br />
Labor:Sollwert<br />
Labor:Produktionsauftrag<br />
„Produktion”<br />
Ontologie<br />
„Teeproduktion“<br />
„Labor“<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 209
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Produktions- bzw. Betriebsführung<br />
– Produktionsarten<br />
Produktion aufgrund von Einzelaufträgen (Kundenorientierte Produktion)<br />
Produktion aufgrund einer Mengenplanung für Serien- oder Standardprodukte<br />
(absatzorientierte Produktion)<br />
– Aufgaben der Produktions- bzw. Betriebsführung<br />
Auftrags- und Produktionsplanung<br />
Produktionsdurchführung mit Hilfe der verfügbaren Ressourcen unter<br />
Beachtung wirtschaftlicher Randbedingungen<br />
Überwachung der Güte des Prozessergebnisses<br />
Produktionslogistik und Lagerhaltung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 210
Produktions- bzw. Betriebsleitebene<br />
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Aufgaben der Produktions- bzw. Betriebsleitebene<br />
Unternehmensleitebene<br />
Kundenauftrag<br />
bzw. Vertriebsanforderung<br />
Rechnungswesen<br />
Bedarfsplanung,<br />
Materialdisposition<br />
Produktionsplanung<br />
Produktion<br />
abrechnen<br />
Bedarfsplanung,<br />
und Bestandsdisposition<br />
Produktionsaufträge<br />
freigeben<br />
Produktionsauftrag<br />
abschließen<br />
Lagerhaltung<br />
Produktionssteuerung<br />
und<br />
Qualitätskontrolle<br />
Aufgaben der Produktionslogistik<br />
Aufgaben der Produktionsführung<br />
Prozessleitebene<br />
Lagersteuerung<br />
Anlagenführung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 211
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Asset-Management – Anlagegüterverwaltung<br />
– Nachverfolgung von Hardware und Software mit folgenden Fragestellungen<br />
Welche Anlagegüter sind vorhanden?<br />
Wo befinden sich die Anlagegüter?<br />
Was kosten die Anlagegüter?<br />
Wie lange bleiben die Anlagegüter in Benutzung?<br />
Asset (in der Automatisierungstechnik)<br />
Automatisierungssystem und alle Komponenten des Automatisierungssystems<br />
(Hardware und Software)<br />
– Bedeutung und Nutzen des Asset-Managements in der Automatisierungstechnik<br />
Identifizierung und Beurteilung aller Assets eines Automatisierungssystems<br />
Vorbeugung von Ausfällen durch Überwachung von Automatisierungssystemen<br />
Planbare Instandhaltung von Automatisierungssystemen<br />
Verwendung innovativer Instandhaltungsstrategien<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 212
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Anlagennahes Asset-Management<br />
– Soll der Wert einer Anlage gesteigert oder erhalten werden, spricht man von<br />
anlagennahem Asset-Management<br />
– Instandhaltungskreislauf des anlagennahen Asset-Managements<br />
Instandhaltungs-<br />
Maßnahme<br />
Überwachung<br />
aller Assets<br />
Instandhaltungs-<br />
Anforderung<br />
Diagnose<br />
– Primäre Ziele des anlagennahen Asset-Managements<br />
höhere Verfügbarkeit<br />
geringere Standzeiten<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 213
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
AT II<br />
Frage zu Kapitel 2.6<br />
Welche der folgenden Aussagen treffen auf die<br />
„Mensch-Prozess-Kommunikation“ zu?<br />
f<br />
<br />
<br />
<br />
Sie beschreibt das Zusammenwirken von Menschen (z. B. Operateure)<br />
mit einem technischen Prozess.<br />
Sie hat das Ziel der erfolgreichen Prozessüberwachung und<br />
Prozessführung.<br />
Sie überwacht, dass möglichst viel Wissen vom Menschen an den<br />
Prozess abgegeben wird.<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 214
AT II<br />
§ 2 <strong>Automatisierungsverfahren</strong><br />
2.1 Automatisierungsaufgaben und deren Lösung<br />
2.2 Prozesssignal-Erfassung und -Aufbereitung<br />
2.3 Prozessüberwachung<br />
2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />
2.5 Prozessführung von Folge- und Stückprozessen<br />
2.6 Anlagen- und Produktionsführung<br />
2.7 Zusammenfassung<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 215
2.7 Zusammenfassung<br />
AT II<br />
Zusammenfassung Kapitel 2 (1)<br />
– Grundaufgaben der Prozessautomatisierung sind die Prozessführung und<br />
die Prozessüberwachung.<br />
– Automatisierungsaufgaben werden mit Hilfe von Prozessmodellen gelöst.<br />
– Ziel der Prozess-Signalerfassung ist die zeitgerechte Bereitstellung<br />
rechnerverarbeitbarer Prozessgrößen.<br />
– Aufgabe der Prozessüberwachung ist die Fehlerermittlung, Aufgabe der<br />
Diagnose die Fehlerlokalisation.<br />
– Grundverfahren der Prozessüberwachung sind die signalorientierte und die<br />
informationsorientierte Überwachung.<br />
– Bei der informationsorientierten Überwachung wird das Zusammenwirken<br />
mehrerer Prozesssignale mit Hilfe von Prozessmodellen betrachtet und<br />
ausgewertet.<br />
– Grundverfahren zur Führung von Fließprozessen sind Steuerung (offene<br />
Wirkungskette) und Regelung (geschlossene Wirkungskette).<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 216
2.7 Zusammenfassung<br />
AT II<br />
Zusammenfassung Kapitel 2 (2)<br />
– Fließprozesse werden mit Differential- oder Differenzengleichungen beschrieben.<br />
Diese lassen sich graphisch durch Signalflusspläne darstellen.<br />
– Eine gängige Reglerstruktur sind kaskadierende PID-Regler.<br />
– Diskrete Steuerungen dienen zur Führung von Folge- und<br />
Stückprozessen. Man unterscheidet Verknüpfungs- und<br />
Ablaufsteuerungen.<br />
– Verknüpfungssteuerungen werden mit Booleschen Funktionen realisiert,<br />
Ablaufsteuerungen durch endliche Automaten oder Petri-Netzen<br />
beschrieben.<br />
– Petri-Netze eignen sich speziell zur Darstellung paralleler Abläufe und<br />
erlauben deren Analyse z.B. auf Verklemmungen.<br />
– Zentrales Element der graphentheoretischen Analyse von Petri-Netzen ist<br />
der Markierungsgraph, der algebraischen Analyse die Inzidenzmatrix.<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 217
2.7 Zusammenfassung<br />
AT II<br />
Zusammenfassung Kapitel 2 (3)<br />
– Bei der Anlagen- und Produktionsführung steht die Prozessleitung und<br />
damit die Mensch-Prozess-Kommunikation im Mittelpunkt.<br />
– Zur Unterstützung des Bedienpersonals bei der operativen Prozessführung<br />
können Beratungssysteme eingesetzt werden.<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 218
2.7 Zusammenfassung<br />
AT II<br />
Vorbereitungsfrage zu Kapitel 2<br />
<strong>Automatisierungsverfahren</strong> (WS 06/07)<br />
a) Nennen und erläutern Sie die Grundaufgaben der Prozessautomatisierung.<br />
b) Welches Verfahren bietet sich an, um eine nachträgliche Störungsaufklärung zu<br />
ermöglichen? Erläutern Sie dieses Verfahren anhand eines Beispiels.<br />
c) Für die Prozessführung wird eine Schaltung gemäß der Abbildung eingesetzt. Die<br />
Realisierung erfolgt mit integrierten Schaltkreisen (Logikbausteinen). Ordnen Sie die<br />
beschriebene Schaltung bezüglich Verfahren und Realisierungsform ein.<br />
© 2013 IAS, <strong>Universität</strong> <strong>Stuttgart</strong> 219
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