1 Prinzip, Ziele der Automatisierung

DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Grundlagen
Erich Kleiner, August 2012 1 Prinzip, Ziele
Grundlagen der Automatisierungssysteme
Die vorliegende Unterlage dient als Einführung und
Übersicht in / über das Fach "Automatisierungssysteme".
Sie ist u.a. auf der Basis von H. Heckmann:
"Grundlagen der Leittechnik" erarbeitet worden.
Inhalt: Seite
1 Prinzip, Ziele der Automation 1
2 Normen, Begriffe
2.1 Normen 3
2.2 Begriffe 3
3 Phasen / Ebenen - Modell 6
4 Anwendungsgebiete und Merkmale 7
5 Entstehung einer Anlage 7
6 Datenarten und –Flüsse
6.1 Konfigurationsdaten 9
6.2 Prozessdaten 9
6.3 Mensch- Maschine- Schnittstelle 9
6.4 Datenübertragung 10
7 Strukturen und Realisierungen
6.1 Hierarchieebenen, Funktionen 11
6.2 Realisierungen 13
6.3 Hardware - Strukturen 14
8 Anhang
8.1 Aktuelle Automatisierungs- Systeme 15
8.2 Historische Entwicklung 16
8.3 Wichtige Normen der Automation 16
8.4 Symbole (allgemein, Funktionsbausteine) 17
siehe auch: "Abkürzungen und Begriffe“
Zustand erfassen
eingreifen
verarbeiten
Bild 1.1: Anlagenbetrieb „von Hand“
1 Prinzip, Ziele der Automatisierung
Die Karikatur in Bild 1 zeigt im unteren Teil den
Betrieb einer technischen Anlage „von Hand“:
- Zustände müssen erfaßt werden (hier: über örtliche
Messungen),
- diese müssen verarbeitet werden (hier: in den
Köpfen der Menschen),
- es muss korrigierend in den Prozess eingegriffen
werden (hier: durch manuelle Verstellung von
Stellgliedern / Schaltung von Aggregaten).
Prozesse der Fertigung und der Verfahrenstechnik
können so weder wirtschaftlich noch mit der notwendigen
Qualität betrieben werden:
- es würden zu viele gut ausgebildete Kräfte benötigt,
die unter schlechten Bedingungen arbeiten
müssten,
- es könnte bestenfalls ein einigermaßen funktionierender,
nicht optimaler Betrieb erreicht werden.
Auch eine den für die Details zuständigen Menschen
übergeordnete Ebene (oben im Bild) wäre durch die
Vielzahl der Informationen und Eingriffe überfordert,
denn große verfahrenstechnische Anlagen können
mehrere tausend Messgrößen und über tausend
Stellglieder und Aggregate besitzen.
Eine Verbesserung ist durch selbsttätig ablaufende
Vorgänge erreichbar, wobei die Entscheidungen in
technischen Einrichtungen nach vorher in Ruhe von
Fachleuten überlegten Algorithmen getroffen werden.
Diese Einrichtungen können sich heute teilweise
schon selbst durch „Betriebserfahrung“
optimieren.
Das meint „Automatisierung“.
(nach einer Karikatur von Hr. Grüner, BBC MA)
AS_Grdl.doc 1

Grundlagen Automatisierungssysteme Berufsakademie Mannheim
1 Prinzip, Ziele Erich Kleiner, Aug. 2010
Bild 1.2 zeigt schematisch die Wirkungsweise von
automatisierten Systemen, die aus drei „Partnern“
bestehen:
- Ein technischer Prozess produziert, d.h. Material,
Energie und Information fließt zu, wird verändert
und fließt ab.
- Eine Leiteinrichtung (Leitsystem) erfaßt Prozesszustände,
verarbeitet sie u.a. durch Vergleich mit
Vorgaben und greift in den Prozess ein.
- Der Mensch gibt Ziele vor, beobachtet den Ablauf
und greift nur notfalls ein.
Der Wirkungskreis ist also normalerweise über die
Leiteinrichtung geschlossen. Ihr Aufbau entspricht
dem klassischen Aufbau eines Echtzeit- Rechnersystems
(Bild 1.3).
Bild 1.4 zeigt die Komponenten einer Automatisierung
detaillierter.
Innerhalb der Leiteinrichtung dienen die Messgrößen
als Rückkopplung (Wirkungskreis) für die
Steuerungen und Regelungen, die in den Prozess
eingreifen. Außerdem werden die Messgrößen für
die Überwachung des Prozessablaufs benötigt, die
sie mit festen oder variablen Grenzwerten oder Verläufen
vergleicht, um frühzeitig auf fehlerhafte Zustände
oder Abläufe aufmerksam zu machen und
ggf. als Schutz der Anlage diese abzuschalten.
Eine Leiteinrichtung kann bestehen aus
- SPS (Speicher- programmierbare Steuerung), oder
- PAC (Programmable Automation Controller) oder
- PLS (Prozess- Leit- System).
Ein- und Ausgabe- Einrichtungen werden als Teil
der Leiteinrichtung betrachtet.
Über Schnittstellen wird der Mensch als „Bediener“
über Zustände und Abläufe informiert.
Eine Datenverarbeitung gehört heute ebenfalls
zum „Standard“. Über Schnittstellen analysiert,
verdichtet und registriert sie die Messgrößen zur
langfristigen Auswertung des Betriebsverlaufs und
der Komponenten- Zustände. Hierzu werden ganz
unterschiedliche Einrichtungen verwendet.
Ziele der Automatisierung einer Produktionsanlage
sind die Erhöhung von
- Wirtschaftlichkeit, Produktivität, Verfügbarkeit,
- Flexibilität,
- Sicherheit der Produktionsanlage,
- Produkt- Qualität,
- Umweltschutz,
- Bedienbarkeit, wobei je nach Anwendung auch
- Personalreduzierung erreicht wird, insbesondere
der Wegfall niedrig qualifizierter oder der Gesundheit
schädlicher Tätigkeiten.
Neben der Verbesserung der Produktionsmethoden
werden diese Ziele hauptsächlich durch Automatisierung
erreicht. Allerdings müssen die Prozesse
dazu „automatisierbar“ konzipiert sein.
Mensch
Beobachten, Ziele notfalls
vorgeben, eingreifen
Technischer Prozeß
Material -,
produzieren
Energie -
oder Informations - Abfluss
Material -,
Energie - oder
Informations - Zufluss
Im Vergleich zu einem Betrieb "von Hand" bedeutet
Automatisierung:
- quasi "gleichzeitige" Beachtung einer Vielzahl von
Prozessdaten
- Eingangssignal - Überwachung und teilweise
Mehrkanaligkeit zum Erhalt der tatsächlichen
Prozesszustände,
- Detaillierte und trotzdem übersichtliche (weil struk-
turierte) , Prozessdarstellung und Meldung von Zu
ständen und Gefahren,
- schnellere, exaktere automatische Befehlsgabe
(Beispiele: Anfahren einer Notstromeinrichtung)
- automatische Einleitung von Schutzauslösungen in
Gefahrenzuständen (ohne Risiko "Mensch"),
- transparente Geschäfts- und Produktionsprozesse
durch Datenaustausch von der Unternehmens-
leitung bis zur Produktion.
2 AS_Grdl.doc
Automation: 3 „Partner“
verarbeiten
Zustände erfassen
eingreifen
Leiteinrichtung,
„Leitsystem“
Bild 1.2: schematische Darstellung
Bild 1.3: Aufbau
Echtzeit- Rechner
Mensch
Beobachten, Ziele
vorgeben
Schnittstelle
Rück- Vor-
Koppl. gaben
Steuern, Regeln Überwachen
Messen
Ergebnis-Größen
Technischer Prozeß
Material -,
Produzieren
Energie -
oder Informations - Abfluss
CPU
Eingabe Ausgabe
Datenverarbeitung
analysieren,
registrieren
Schützen
Leiteinrichtung,
„Leitsystem“
SPS / PAC / PLS,
einschließlich Busse,
Ein / Ausgaben
Material -,
Energie - oder
Informations - Zufluss
Bild 1.4: Komponenten der „Automation“

DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Grundlagen
Erich Kleiner, Juni 2008 2. Normen, Begriffe
2. Normen, Begriffe
2.1 Normen
Die in der Automatisierungstechnik verwendeten
Begriffe sind größtenteils in „Normen“ festgelegt, die
in nationalen und internationalen Normungsgremien
erarbeitet und in einem bestimmten Land als „ange-
paßte“ nationale Norm herausgegeben werden:
- IEC: Norm der International Electrical Commission,
- EN: Europäische Norm,
- DIN Deutsche Industrie- Norm.
Daneben gibt es die
- VDE – Vorschriften und die
- NAMUR- Empfehlungen (NEnnn),
die für bestimmte Anwendungen wie Normen gelten.
(NAMUR: Norm- Ausschuss Mess- und Regelungstechnik
in Chemie, Pharma- Industrie, ...)
Normen gibt es als „Entwürfe“ und „Vornormen“, bei
IEC zusätzlich als „PAS“ (Publicly Available Specifi-
cation) zur Information bei Beginn der Normung.
Für die Veröffentlichung von deutschen Normen hat
der Beuth- Vertrieb Berlin ein Monopol. Der Kaufpreis
(bzw. Lizenzpreis zum Download) ist relativ
hoch, weil hierüber die Normungsarbeit zum Teil
finanziert wird. Es gibt aber öffentliche
Auslegestellen, z.B. die Bibliothek der Hochschule
Mannheim.
2.2 Begriffe
Begriffe der Automation sind im „Internationalen
Elektrotechnischen Wörterbuch festgelegt: DIN IEC
600050 Teil 351
Die wichtigsten Grundbegriffe sind:
Prozess (nach DIN IEC 60050-351):
"Ein Prozess ist eine Gesamtheit von aufeinander
einwirkenden Vorgängen in einem System, durch
die Materie, Energie oder auch Information umgeformt,
transportiert oder auch gespeichert wird".
Dabei unterscheidet man verschiedene
Prozessarten: (nach DIN EN 61512-1)
- Kontinuierliche Prozesse (Fließprozesse)
Verarbeitungsgut „fließt“ bei stationären Prozessbedingungen
im stetigen Strom durch die Anlage
(z.B. lfd. Methanol- Erzeugung über einem
Katalysator, oder der Kraftwerksprozess)
- Diskontinuierliche Prozesse (Chargenprozesse)
Herstellung endlicher Mengen (Chargen) formloser
Stoffe in definierter Folge von Schritten (z.B. Bier).
- Stückgutprozesse
Herstellung endlicher Anzahlen (Lose) einzelner
Werkstücke in verschiedenen Arbeitsvorgängen
(z.B. Mobiltelefone).
automatisch (DIN IEC 60050-351): „einen Prozess
oder eine Einrichtung bezeichnend, der / die unter
festgelegten Bedingungen ohne menschliches
Eingreifen abläuft oder arbeitet.
automatisieren (DIN IEC 60050-351):
„Mittel einsetzen, um selbsttätige Funktionen in
einem System zu ermöglichen“.
Leiten (nach DIN IEC 60050-351), en: Control
"Zweckmäßige Maßnahmen an oder in einem
Prozess, um vorgegebene Ziele zu erreichen"
Leiteinrichtung (nach DIN IEC 60050-351):
"Umfaßt die für die Aufgabe des Leitens
verwendeten Geräte, Programme, Anweisungen".
Je nach Anwendungsgebiet wird darunter die
gesamte Automatisierungsausrüstung oder nur die
oberste Ebene oder nur Bedienen / Beobachten
verstanden.
Man spricht von (siehe auch 6.2):
- SPS (Speicher-Programmierbare Steuerung),
Robuste, kompakte, im Preis vom Markt begrenzte
Einrichtung für Steuerung und Regelung,
daher begrenzter Komfort für
Engineering und Diagnose
- PLC (Programm. Logic Control), = SPS in englisch
- PAC (Programmable Automation Controller),
vereinigt HW der SPS mit Möglichkeiten des
PCs, durchgängig für höhere Ebenen,
Engineering- Plattform, Tag-Nr. orientiert
- PLS (Prozess- Leit- System).
Modulare Einrichtung für mittlere bis große
Anlagen, hoher Komfort in Engineering und
Diagnose.
System (nach DIN IEC 60050-351): „Menge miteinander
in Beziehung stehender Elemente, die in
einem bestimmten Zusammenhang als Ganzes gesehen
und als von ihrer Umgebung abgegrenzt
betrachtet werden“. (Sehr strapazierter Begriff)
Dabei gibt es verschiedene Konzepte (nicht Norm):
- geschlossenes System: spezielle Entwicklung,
intern abgestimmt, jedoch Zugriff von außen nicht
oder nur schwer möglich,
- offenes System: externer Zugriff auf interne Parameter
und Eigenschaften, sowie Zugriff auf Prozess
- Daten über Standard - Schnittstellen möglich,
heute verfügbar: Standard - Werkzeuge für
Engineering (Verarbeitung und Kommunikation)
Struktur (nach DIN IEC 60050-351): „Beziehungen
zwischen den Elementen eines Systems“, z.B. als
Blockschaltbild mit Befehlswegen dargestellt (siehe
nächste Seite).
AS_Grdl.doc 3

Grundlagen Automatisierungssysteme DHBW Mannheim
2. Normen, Begriffe Erich Kleiner, Aug. 2012
Innerhalb eines Prozesses / Systems gibt es
variable Größen: messbare phys. Größen / Zustände,
deren Wert Änderungen unterworfen ist, z.B. die
Wassertemperatur in einer Rohrleitung.
Wert ist der aktuelle Betrag einer var. Größe, also
z.B. die Temperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt.
Signal ist eine physikalische Größe, bei der ein /
mehrere Parameter Information über ein / mehrere
var. Größen tragen, also z.B. die Übertragung der
Temperatur von einem Thermoelement.
Man unterscheidet analoge, digitale und binäre
Signale (DIN IEC 60050-351).
Regelungstechnik: Alle Eingänge „u“, Ausg. „v“
gemäß internationaler Norm IEC 60027-6
Die Systemtheorie beschreibt Systeme (Prozesse)
allgemein (abstrakt) als Ganzes, ohne Details. In der
Automatisierung werden für Teilsysteme und deren
Kopplung Blockschaltbilder oder Signalgrafen verwendet.
Hier gelten folgende Definitionen:
Ein Signal (siehe oben) kann sein (Bild 2.1):
- ein kontinuierliches Signal u, das fortlaufend als
Real- Wert zur Verfügung steht, z.B. die Temperatur
in einer Rohrleitung, und
- das diskrete Signal v, das zu bestimmten Zeitpunkten
Integer- Werte übermittelt, z.B. die Anzahl
der eingeschalteten Brenner einer großen
Heizanlage, also eine natürliche Zahl (Integer).
Dekomposition
y = S ( u )
Eingangs-
Ausgangs-
Aggregation
Signale
Signale
u dynamisches y
System
v
w
(Prozess)
t
t
Bild 2.1: Dynam. System in der Systemtheorie
In der Regelungstechnik gelten per internationaler
Norm u für alle Eingangs- und v für Ausg.-Signale.
Ein Prozess ist ein Vorgang, bei dem sich der Wert
einer oder mehrerer Kenngrößen zeitlich ändert. Die
sich ändernden Größen werden als Signale aufgefasst,
so dass man unter einem Prozess auch die
Wertänderung eines oder mehrerer Signale
verstehen kann. In Bild 2.1 verändert der Prozess
anhand der Eingangssignale die Ausgangssignale.
Ein System ist eine Umgebung, in der sich Prozesse
abspielen.
Dargestellt wird ein System durch einen „Block“,
einen abstrakten Kasten. Da der Inhalt nicht zu
sehen ist, wird der Kasten auch „Black Box“
genannt. Eingangs- und Ausgangssignale werden
als Pfeile dargestellt, wodurch ihre Wirkungsrichtung
angegeben ist.
Bild 2.2 zeigt zur Erläuterung einen wohl allgemein
bekannten Prozess: die Heizung eines Hauses. Die
Temperatur des Heizungswassers, das den Heizkörpern
zur Verfügung steht, wird durch die Heizleistung
des Kessels bestimmt. Diese wird durch
einen Regler anhand eines vorgegebenen Sollwertes
und der Außentemperatur eingestellt.
Bild 2.2: Beispiel: Haus- Heizung
Bild 2.3: Blockschaltbild einer Haus- Heizung und
Inhalt des Blocks „Vorlauf- Temp.- Regler“
Diese Darstellung zeigt die „Verfahrenstechnik“, also
die tatsächlich vorhandenen (realen) Komponenten
Regler, Kessel und Heizkörper („Anlagenschema“).
In Bild 2.3 ist oben die „Struktur“ dieses Systems
als Blockschaltbild dargestellt, in dem bedeuten:
- Kästchen: Teilprozesse (Teilsysteme),
- Pfeile: Signale, über die die Teilsysteme miteinander
gekoppelt sind. Der Pfeil zeigt die Wirkungsrichtung.
Durch ein solches Blockschaltbild können Zusammenhänge
dargestellt werden, um die Aufgaben
einer Automatisierung erkennbar zu machen und
grob zu planen. Hier zeigt z.B. die Abhängigkeit der
Raumtemperatur von der Außentemperatur den
Sinn der Beeinflussung der Vorlaufregelung durch
die Außentemperatur.
Ein Blockschaltbild abstrahiert Details, damit zuerst
der Gesamtzusammenhang sichtbar wird. In einem
nächsten Schritt (Bild 2.3 unten) kann man nun den
Inhalt der „Black Boxes“ zeigen, z.B. hier die Realisierung
des Reglers. Hier werden einzelne „Funktionen“
als Rechtecke dargestellt, die wiederum über
Signale in Form von Linien oder Pfeilen gekoppelt
sind. Block- und Funktionsschaltbilder sind in der
Automatisierungstechnik allgemein üblich und daher
ist es sehr wichtig sie anwenden zu können.
4 AS_Grdl.doc

DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Grundlagen
Erich Kleiner, Aug. 2009 2. Normen, Begriffe
Im Bild 1.2 sind „Drei Partner“ einer Automation
dargestellt: der Mensch, die Leiteinrichtung und der
Prozess.
Mensch: "Bediener", der das Prozessgeschehen
über Beobachtungsgeräte (heute meist Bildschirme)
verfolgt und per Bediengeräte (Maus o.ä.) über die
Leiteinrichtung beeinflusst. Soweit Vorgänge durch
die Leiteinrichtung selbsttätig (automatisch) ablaufen,
hat der Bediener die Aufgabe, in Ausnahmesituationen
einzugreifen.
Leiteinrichtung (Leitsystem):
System zur Informationserfassung, - Verarbeitung, -
Darstellung und - Ausgabe.
Es besteht aus:
- Mikrorechner ("Prozessrechner") oder
- Industrie - PCs oder Standard - PCs, oder
- speziellen Mikroelektronik - Geräten als "Speicher-
programmierbare Steuerungen" (SPS) oder in der
Fertigungsleittechnik als "Numerische Steuer-
ungen" (NC = Numeric Control),
- speziellen Mikroelektronik - Gerätesysteme als
"Prozess - Leitsystem" (PLS),
- internes Verbindungssystem, heute meist mit
Bussen realisiert (Feldbusse, Systembusse),
sowie geeignete Kommunikationseinrichtungen.
"Verbindungsprogrammierte Steuerungen" (VPS)
sind nur noch für sehr kleine Anwendungen üblich.
Die Leiteinrichtung wird auch als "Prozess -
Automatisierungssystem", "Prozess - Leitsystem"
oder "Prozessdatenverarbeitungssystem"
bezeichnet.
Technischer Prozess: Produktionsanlage oder Einrichtung
zur Erhaltung oder Erzeugung eines bestimmten
Zustandes oder Produkts, mit Sensoren
(Gebern) zur Erfassung von Einflussgrößen (Prozesszuständen)
und Aktoren (z.B. Pumpe, Ventil)
zur Prozessbeeinflussung über Ergebnisgrößen.
Die Leiteinrichtung erfüllt ihre Aufgaben durch Mess-
Steuerungs-, Regelungs- Überwachungs- und
Schutzfunktionen. Hierfür gelten die Definitionen
nach DIN IEC 600050 Teil 351:
"Steuerung ist ein Vorgang in einem System, bei
dem eine oder mehrere var. Größen als Eingangsgrößen
andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund
der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten
beeinflussen. Kennzeichen für das
Steuern ist der offene Wirkungsweg oder ein
geschlossener Wirkungsweg, bei dem die durch die
Eingangsgrößen beeinflussten Ausgangsgrößen
nicht fortlaufend und nicht wieder über dieselben
Eingangsgrößen auf sich selbst wirken."
"Regelung ist ein Vorgang, bei dem eine Größe,
die Regelgröße (die zu regelnde Größe), fortlaufend
erfaßt, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße,
verglichen und im Sinne einer Angleichung
an die Führungsgröße beeinflußt wird. Kennzeichen
für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf,
bei dem die Regelgröße im Wirkungsweg des
Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst."
Bild 2.4 stellt Regelung und Steuerung im Prinzip,
sowie Messen, Stellen und Prozess in einem Beispiel
dar. Es zeigt, dass
- Regelung mit analogen (bzw. digitalisierten) und
Steuerung mit binären Signalen arbeitet, und
- die Regelung die Regelgröße als Rückführung
verwendet.
Führungs -
grösse
(Sollwert) W
Regelgrösse
(Istwert) X
Bild 2.4: Regeln und Steuern
Eine weitere Aufgabe ist
die "Überwachung" ausgewählter
variabler (Prozess-)
Größen auf
Einhaltung ("Verletzung")
fester oder aktuell errechneter
Wertbereiche
oder Schaltzustände,
Bild 2.5: Überwachung
z.B. zur Erzeugung von
Meldungen.
"Schützen" heißt, aufgrund
von Überwachungsvorgängen
in den Prozess einzugreifen, um
Menschen nicht zu gefährden und die Anlage, das
Produkt und die Umwelt nicht zu schädigen.
Die Einrichtungen zur Darstellung von Prozesszuständen
("Beobachten") bzw. zur Entgegennahme
manueller Befehle ("Bedienung") werden zusammenfassend
Mensch – Maschine – Schnittstelle
genannt, engl.: HMI (Human – Machine - Interface).
Das gilt ebenso für Einrichtungen zur Programmierung
bzw. Parametrierung der Leiteinrichtung.
AS_Grdl.doc 5
Prinzip
Beispiel: Messen,
Stellen, Prozess
Regeln
f(X, W)
Messen Stellen
Prozess
I I
P
P
Stell -
grösse Y
Bedien-
Befehl,
Bedingung,
Rückmeldung
P
&
S
R
Messen Stellen
Prozess
Steuern
ZU OFFEN ZU AUF
M
Stell-
Befehl

Grundlagen Automatisierungssysteme DHBW Mannheim
3. Phasen / Ebenen- Modell Erich Kleiner, Aug. 2009
3 Phasen / Ebenen - Modell
Moderne Leitsysteme kann man nur durch eine
ganzheitliche Betrachtungsweise verstehen. Hierzu
eignet sich das "Phasen - und Ebenen - Modell" für
Informations- und Materialstrom in Industrieprozessen
(schon älter, aber noch gültig: Bild 3.1):
Dispositiv
Operativ
Roh - Material
Führen des
Unternehmens
Führen des
Betriebes
U.-
Leit-
Ebene
Betriebs-
Leitebene
Führen des Anlagen - Prozess-
Prozesses
Gruppen -
Leitebene
Einzel - Leitebene
Prozess
Bild 3.1: Phasen / Ebenen – Modell
(nur kursive Begriffe genormt!)
Unternehmens - /
Management -
Daten
Betriebs - /
Produktions -
Daten
Prozess -
Daten
Fertig - Material
Info -
Strom
Material-
Strom
Das Material wird durch einen Prozeß bearbeitet.
Dieser ist durch Aktoren (Eingriffe in den Prozeß)
und Sensoren (Erfassung von Daten aus dem Prozess)
mit dem Informationsstrom verbunden.
Der Informationsstrom findet in verschiedenen
Ebenen statt. Das Dreieck symbolisiert deren hierarchische
Gliederung, und damit die Integration von
technologischen, technischen, logistischen, administrativen
und betriebswirtschaftlichen Informationen.
Die Prozessleitebene ist für den technisch einwandfreien
Ablauf des Prozesses zuständig. Sie
enthält die Einrichtungen zum Messen, Steuern,
Regeln, Überwachen und zur Kommunikation für
Bedienung und Wartung.
Sie wird manchmal hierarchisch weiter unterteilt in
Prozess - / Gruppen - und / Einzelleitebene.
Dabei meint nach DIN IEC 60050-351:
- Einzelleitebene: alle Teile der Leiteinrichtung,
die unmittelbar auf die Stellglie-
der wirken (Steuerg. / Regelung)
- Gruppenleitebene: Teile der Leiteinrichtung, die
jeweils auf einen bestimmten
Teilbereich der Einzelleitebene
wirken (Steuerung / Regelung
von Stellglied- Gruppen)
- Anlagenleitebene: Teile der Leiteinrichtung, die
auf die Gruppenleitebene wir-
ken, z.B. Steuerung / Regelung
eines ganzen Kraftwerks.
In der Gruppenleitebene spricht man auch von
"Funktionsgruppen“
In der Betriebsleitebene geht es um den ordnungsgemäßen
Ablauf des gesamten Betriebes, z.B. An
lieferung / Ablieferung des Materials, ggf. Mehrere
Prozesse, und die Koordinierung dieser Prozesse.
Der Unternehmensleitebene sind die Funktionen
zur Führung des Gesamtunternehmens zugeordnet.
Das betrifft sowohl administrative Aufgaben und
Zielvorgaben als auch die Koordination mehrerer
Betriebe.
In der Unternehmensleitebene überwiegen
dispositive Funktionen (Einplanung von Terminen,
Mengen,..),
in der Prozessleitebene operative Funktionen
(Durchführung der Produktion).
Für die Realisierung der Leittechnik ist wichtig, dass
ihre Reaktionszeiten umso kürzer sein müssen, je
näher eine Funktion dem Prozess ist.
Das Modell zeigt, dass ein modernes Leitsystem die
Aufgaben von Prozess-, Betriebs- und Unternehmensführung
umfasst. Dazu müssen die unteren
Ebenen den höheren die notwendigen Daten liefern.
Alle Ebenen müssen also im Blick auf das ganze
Modell realisiert werden. Für den Entwurf eines
solchen Systems reicht es nicht aus, nur die Erfassung
und Verarbeitung von Prozess - Signalen im
Sinne von Steuerung und Regelung zu sehen, sondern
es ist der gesamte Informationsfluss zu planen.
Daher haben wir heute statt einer
Signal- orientierten Mess-, Steuer- und
Regelungstechnik
6 AS_Grdl.doc
eine
Informations- orientierte Leittechnik
Bezeichnungen und Bedeutung von Ebenen sind
nicht in allen Anwendungsgebieten gleich (siehe Bild
3.2) sondern "historisch" gewachsen und wegen des
Fehlens allgemein gültiger Normen (noch) recht
verschieden, hauptsächlich zwischen „Prozessautomatisierung“
und „Fertigungsautomatisierung“.
Leit-
Ebene
Prozess-
Ebene
Feld-
Ebene
- Übergeordnete Verarbeitungs- /
Managementfunktionen,
- Zentrale Bedienung
- Verarbeitung
(Steuerung / Regelung)
- Sensoren / Aktoren
Bild 3.2. Ebenen in der Fertigungsleittechnik
In der Fertigungsleittechnik sind z.B. die Begriffe
gemäß Bild 3.2 üblich, die genau genommen von
der Definition für „Leittechnik“ in IEC 600050-351
abweichen.

Berufsakademie Mannheim Automatisierungssysteme Grundlagen
Erich Kleiner, Sept. 2005 4 Anwendungsgebiete, Merkmale
4 Anwendungsgebiete und Merkmale
Prozess - Automatisierungssysteme werden in ganz
verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzt, die
man etwa so wie in Bild 4.1 dargestellt gliedern kann
(DIN IEC 60050-351). In der Praxis wird meist
zwischen „Fertigungs- Automation“ und „Prozess-
Automation“ unterschieden.
Leittechnik
Produktionsleittechnik
Fertigungsleittechnik
Stückprozesse (Linienfertigung)
Stückprozesse Werkstattfertigung
Verfahrensleittechnik
Fließprozesse
Chargenprozesse
Kraftwerksleittechnik
Netzleittechnik
Gebäudeleittechnik
Verkehrsleittechnik
Kommunikationsleittechnik
Bild 4.1: Anwendungsgebiete der Leittechnik
„Fertigungs-
Automation“
„Prozess-
Automation“
In der vorliegenden Unterlage werden Grundlagen
derjenigen Systeme beschrieben, die in der Produktionsleittechnik
und der Kraftwerksleittechnik angewandt
werden.
Fertigungsleittechnik beschäftigt sich mit dem Einsatz
von Leitsystemen zur Automatisierung von
Stückprozessen (der Produktion von Werkstücken
oder Baugruppen). Für jedes Werkstück sind
mehrere Arbeitsschritte nötig, ein solcher Vorgang
wird daher "diskontinuierlich" genannt. Er kann in
einer Linienfertigung oder einer flexiblen Fertigung
ablaufen.
Ein Linienprozess besteht aus einer Reihe von Vorrichtungen,
die in einer "Linie" ein bestimmtes
Produkt herstellen.
Unter einem flexiblen Produktionssystem (FPS) ist
eine Anordnung aus im Allgemeinen mehreren
Produktionskapazitäten zu verstehen, die zur teilweisen
oder vollständigen Herstellung unterschiedlicher
Produkte nach einem Arbeitsplan im Rahmen
einer Fertigung bzw. einer Montage dienen. Ein Arbeitsplan
enthält in Arbeitsvorgängen die Vorschrift
zur Fertigung eines Werkstückes. Eine Kapazitätseinheit
stellt dazu Kapazität zur Verfügung, mit ein-
5. Entstehung einer Automat.-Anlage
Bild 5.1 (rechts) zeigt die „Lebensphasen“
einer Anlage der Prozessautomation. Je nach
Größe und Komplexität variieren die angegebenen
Zeiten. Davor liegt die Entwicklung.
Planung
- Prozess,
- Anlage
- Leittechnik
em mengenmäßigen Leistungsvermögen zur Durchführung
Wert - steigernder Arbeitsvorgänge.
Beispiele für Kapazitätseinheiten sind: Koordinatenmessgeräte,
Spannplätze usw.
Durch mechanische Bearbeitung (Drehmaschinen,
Fräszentren, Schleifmaschinen) oder durch Fügeprozesse
in Verbindung mit Transporteinrichtungen
findet in einem FPS eine geometrische Gestaltung
eines Werkstückes oder einer Baugruppe statt.
Die Verfahrensleittechnik dient der Automatisierung
von kontinuierlichen und diskontinuierlichen
Prozessen zur Herstellung von Produkten in einem
Verfahren.
Kontinuierliche Prozesse sind "Fließprozesse", z.B.
die fortwährende Herstellung des gleichen chemischen
Stoffes in einer dazu vorhandenen verfahrenstechnischen
Anlage.
Diskontinuierliche Prozesse in der Verfahrenstechnik
sind Chargenprozesse zur automatischen Herstellung
von Produkten nach Rezepten. Unter Rezept
versteht man eine Vorschrift zur Herstellung
eines Produkts, es ist also vergleichbar mit dem
Arbeitsplan in der Fertigungsleittechnik. Rezepte
basieren auf verfahrenstechnischen Grundoperationen
wie z.B. Destillieren, Mischen, usw.
Die Erstellung, die Verwaltung und insbesondere die
automatisierte Abarbeitung von Rezepten mittels
Rezeptursteuerungen im Verfahrensleitsystem sind
die gebräuchlichen Wege zur flexiblen Chargenproduktion
in Mehrproduktanlagen.
Kraftwerksprozesse sind kontinuierliche verfahrenstechnische
Prozesse zur Energieumwandlung. An
die Kraftwerksleittechnik werden aber besonders
hohe Anforderungen nach Sicherheit und Verfügbarkeit
gestellt, so dass sie eine besondere Stellung
einnimmt. Dazu werden nicht nur leittechnische Einrichtungen
sondern ganze Prozessteile mit ihrer
Leittechnik redundant ausgeführt, die dann möglichst
in getrennter HW realisiert werden. Außerdem
werden Prozess und Leittechnik detailliert überwacht
und Daten aufwändig ausgewertet und über Jahre
gespeichert. Das bedeutet natürlich erhöhten Aufwand,
der sich aber durch Verfügbarkeitserhöhung
amortisiert.
Netzleittechnik und Gebäudeleittechnik dienen
der Aufrechterhaltung eines störungsfreien Betriebes,
z.B. der Versorgung mit elektrischer Energie,
und müssen sich anbahnende Störungen erkennen
und melden, sowie im Störungsfall - wenn möglich -
den Betrieb durch Umschalten auf redundante Einrichtungen
aufrechterhalten.
Insbesondere die Gebäudeleittechnik steht unter
Preisdruck, was zur Entwicklung wirtschaftlicher und
dennoch technisch interessanter Lösungen geführt
hat (siehe "Prozess-nahe Leittechnik", "Power Bus").
Montage, Inbtriebnahme
- Auf- - Erprobung,
stellung, - Optimierung
- Verkabelung
Betrieb
- Wartung,
- Anpassung /
Optimierung
Außerbetriebnahme
1 .. 24 Monate 0,5 .. 12 Monate bis 30 Jahre Monate /Jahre
AS_Grdl.doc 7

Grundlagen Automatisierungssysteme DHBW Mannheim
5. Entstehung einer Anlage Erich Kleiner, Juli 2012
Es gibt ganz unterschiedliche Arten von
Automationssystemen, die unterschidlich
viel Anlagen-Engineering benötigen (Bild
5.2):
- Komplettgeräte wie z.B. eine Waschmaschinensteuerung
und –Regelung: Hier
ist nur Geräteentwicklung erforderlich.
- Komponenten wie eine Antriebsregelung
für Motion Control: Hier besteht das Anlagen-
Engineering nur aus Parametrierung
der Standard- Funktionsbausteine.
- Automatisierungs-Anlagen mit modularen
Geräten und HMI- Komponenten: Hier fallen
Planungs- und Integrationsarbeiten an. Dies
ist in Bild 5.1 gemeint.
Die Entwicklung eines Automatisierungssystems
(Große Hersteller: alle Komponenten, ansonsten
Zukauf oder nur einzelne Komponenten) erfolgt
aufgrund von Vorgaben durch Vertrieb und Abwicklung
bisheriger Systeme. Es werden Pflichtenhefte
erstellt und abgestimmt, danach wird entwickelt und
getestet. Dabei ist heute ein „Integrationstest“ besonders
wichtig: Zusammenspiel der Komponenten.
Dann kann der Vertrieb ein System anbieten und
übernimmt im Auftragsfall meist die Projektleitung
(Bild 5.3).
Die Planung eines Leitsystems erfordert verschiedene
Blickwinkel, und diese wiederum verschiedene
Kenntnisse (Bild 5.4). Die Ergebnisse werden
in verschiedenen Dokumenten dargestellt.
Verfahrenstechniker bzw. Maschinenbauer mit Prozesskenntnis
müssen den verfahrenstechnischen
bzw. Fertigungs - Prozess entwerfen. Dies wird im
„Grund- Fließschema“ dokumentiert (Bild 5.5a),
das nur den Materialfluss darstellt..
Daraus wird die „Anlage“ mit Rohrleitungen,
Pumpen, usw. im „Verfahrens- Fließschema“
entworfen (Bild 5.5b), auch „Anlagenschema“
genannt. Wenn der Verfahrens- / Prozessablauf
nicht allgemein bekannt ist werden (Prosa-)
Anlagenbeschreibungen erstellt.
In das Verfahrens- Fließschema tragen die Verfahrenstechniker
oder Leittechniker mit zumindest
Grundkenntnissen des Prozesses Messungen ein,
wodurch das „R & I – Diagramm“ entsteht
(„Rohrleitungen und Instrumentierung“), Bild 5.5c).
Manchmal werden hier durch die Leittechniker
zusätzlich Wirkungslinien zwischen Messungen und
Regelungen eingetragen und der Plan „Mess- und
Regelschema“ genannt.
.
Vertrieb
- Gespräche mit Kunden
- Marktanalysen
Planung und
Inbetriebnahme
- Abwicklungserfahrungen
Vertrieb
- Akquisition
- Projektleitung
Bild 5.3: Entwicklung
Zusätze
Prozesstechnik
Prozess-
Know-how
Anlagen-
Schemata
Abläufe
(Mindest-)
Prozess-
Know-how
Anlagentechnik
Anlagen-
Know-how
R & I -
Schemata
Konzepte
Verfahrenstechniker, Starkstromtechniker,
Maschinenbauer Leittechniker,
Bautechniker
=D1
Zerkleinerung
=E1
Roh-
Stoff Trenn-
=HP01 ungLösungsmittel
Anlagen - Erstellung
=H1
Abgas
Abgaswäsche
=E2 =F1
Reak
tion
Wünsche,
Forderungen
Abstimmung
Bild 5.4: Anlagenplanung
Destil-
=EP01 lation
=GP01
=S1
Elektr.
Energieversorg.
End-
Produkt
Chemieanlage 3 #CP3
Grundfließschema &PFA
Entwicklung
Pflichtenheft
(Mindest-)
Prozess-
Know-how
Leittechnik
Leittechnik-
Know-how
Funktions -
Pläne
Parameter
Proz.Bilder
Leittechniker
Engineering
Messwertaufbereitung
Steuerung /
Regelung
a) Grund-
Fließschema
b) Verfahrens-
Fließschema
Energie - und Leittechniker müssen nun Konzepte
für die Realisierung der Schaltanlagen, der Leiteinrichtung,
der Kommunikation und die Prozess -
Schnittstellen (Verkabelung, Anordnung) festlegen.
=BF01
FRC
Destillation =BT01
#CP3=F1
Verfahrensfließschema &PFB
TRI
=QM01 =QN01
c) R&I-
Diagramm
Die Energietechniker entwerfen Übersichtspläne
der elektrischen Versorgung, in denen Schienen,
=BT02
TR
Bild 5.5
Kupplungen, Transformatoren und Abgänge an
Verfahrens-
Verbraucher angegeben sind (Bild 5.6)
Trennsystem #CP3=F1 HP01
R&I-Fließschema &MFB Dokumente
8 AS_Grdl.doc
Abnahme
Bild 5.2: Arten von
Automationssystemen
Entwicklung
Test
1. Anlage
Prozess-
Eingriff
Bedienen /
Beobachten
Daten-
Auswertung

Berufsakademie Mannheim Automatisierungssysteme Grundlagen
Erich Kleiner, Aug. 2010 6. Datenarten, -Flüsse
Die "innere Leittechnik", also die eigentliche Leiteinrichtung,
ist von Leittechnikern im Detail festzulegen,
heute meist in Form von Funktionsplänen. (Bild
5.7). Außerdem müssen Parameter zumindest als
Ausgangswerte für den Beginn der Inbetriebnahme
festgelegt werden. Für die Kommunikation Mensch -
Prozess sind die Prozessbilder für die Bildschirm-
Bedienung im Detail zu erstellen (Entwürfe meist
von den Verfahrenstechnikern). Auch hierfür sind
zumindest Grundkenntnisse des Prozesses
erforderlich.
Außerdem werden Anschluss- Schaltpläne für Ein-
und Ausgabekanäle sowie Stromlaufpläne für die
Schalteinrichtungen benötigt
6. Datenarten und -Flüsse
6.1 Konfigurationsdaten
Bild 6.1 zeigt die Inhalte der Daten, die zur Erstellung
/ Beschreibung eines leittechnischen Systems
benötigt werden, und wer welche Daten
erstellt. Dabei ist die Zuordnung der Planer
abhängig vom Anwendungsgebiet. Beispiele:
- Chemische Industrie: Planer meist beim Kunden,
- Kraftwerke: Planer beim Hersteller
(Der Kraftwerksprozess ist kein Betriebsgeheimnis).
In der gesamten Verfahrenstechnik kommt der
Einsatz von Planungsfirmen ("Consultings") vor.
Die Datenhaltung der Systemdaten erfolgt im Engineering
- Werkzeug oder in der Leiteinrichtung
selbst, meist in einer vom Fabrikat der Leiteinrichtung
abhängigen Mischung.
6.2 Prozessdaten
Bild 6.2 zeigt grob die Daten, die während des
Betriebes eines Leitsystems verwendet werden.
Die Leiteinrichtung erhält vom Prozess die aktuellen
Daten, die sie für ihre Prozesseingriffe benötigt, z.B.
zur Erkennung einer Grenzwertverletzung zur
Auslösung eines Schutzbefehls im Prozess.
An die übergeordnete Betriebsleitebene (lila Box im
Bild) werden größtenteils verknüpfte, bewertete
Signale weitergegeben, z.B. die Betriebszeit eines
Aggregates.
Die Datenhaltung der aktuellen Prozessdaten erfolgt
stets in der Leiteinrichtung. Vergangenheitsdaten
(z.B. Messwerte für Kurvendarstellungen) werden oft
in speziellen Rechnern höherer Ebenen gehalten.
6.3 Mensch - Maschine – Schnittstelle (HMI)
Über die Mensch - Maschine - Schnittstelle (Blaue
Box im Bild 6.2 rechts)
- erhält der Mensch aktuelle Informationen über den
Prozesszustand (Messwerte, Grenzwertver-
letzungen), bzw. Zustand der Leiteinrichtung, und
- greift in den Prozess ein (Sollwertvorgabe,
Stell - / Schalt - Befehle).
Bild 6.3 zeigt die verschiedenen Datenflüsse über
die Mensch- Maschine- Schnittstelle (HMI):
= F1GP10BL01 ; M_Level_H
= F1GP10QM01 ; I_Vent_ZU
Konfigurationsdaten (Beschreibung / Parametrierung des Leitsystems):
Systemsoftware / Firmware, erstellt durch Entwickler:
- Betriebssystem,
- Kommunikationssoftware (intern und Schnittstellen),
- standardisierte Grundfunktionen (Funktionsbausteine, Makros)
Anwenderprogramme (Funktionsalgorhythmus), erstellt durch Planer:
- Anlagen - spezifische Programme zum Leiten der Anlage (MRS),
- Parameter zur Darstellung / Handhabung von Meldungen,
- Prozess - Darstellung (Prozessbilder)
- Gerätedaten (ggfs. Im Engineering Tool)
Anlagenparameter / Funktionsdaten, eingegeben durch Bediener /
Instandhalter
- Rezepturdaten, Bearbeitungsdaten,
Bediener
- Bedienen: - Eingeben von Parametern,
- Auslösen von Prozesseingriffen
- Beobachten: - Überwachen des Anlagenzustandes,
- Dokumentation von Meldungen, Protokollen
Instandhalter
- Eingeben von Geräte - Parametern, Simulation
- Funktionsprüfung, Fehlerbeseitigung
- Diagnose, Funktionsüberwachung,
- Fehlersuche
Planer, Inbetriebnehmer
- Projektierung, Programmierung, Dokumentation (neu),
- Laden der Leiteinrichtung
- Funktionstest, Dokumentation (Revision)
AS_Grdl.doc 9
UND
&
1
Antr.St.
FREIG_E
FREIG_A
AUTO_E
AUTO_A
....
Pumpe 1 = F1GP10GP01
Pumpe 2 = F1GP20GP01
Bild 6.1: Konfigurationsdaten und ihre Ersteller
Prozesszustand (bewertet, verknüpft),
Statistik - Daten
Grenzsignale,
verknüpfte / berechnete Werte,
Stellgrößen, Befehle
Bild 6.2: Prozessdaten
Zustände,
Gefahren,
Eingriffe
Prozesszustand (analoge / binäre Signale)
Prozesseingriffe (Stellgrößen / binäre Befehle)
Bild 6.3: Datenflüsse über HMI
Bild 5.6:
Starkstrom-
Übersichtsplan
Bild 5.7:
Funktionsplan
Hersteller
Kunde
Consulting

Grundlagen Automatisierungssysteme Berufsakademie Mannheim
6 Datenarten, -Flüsse Erich Kleiner, Aug. 2010
Der Planer benutzt ein Engineeringtool, mit dem er
in der Regel zunächst offline arbeitet. Er sammelt
Daten und erstellt die Steuerungs- und Regelungs -
Algorithmen, das "Anwender - Programm". Dabei
oder - wenn es die Einrichtung ermöglicht - dadurch
entsteht die Detaildokumentation.
Später lädt er mit derselben oder einer anderen
Einrichtung die Daten in die Leiteinrichtung. Der
Planer oder ein Inbetriebnehmer testet die Wirkungsweise
und passt Leiteinrichtung und Dokumentation
an ("Revision").
Hierzu dienen heute meist normale PCs mit Standard
- Betriebssystem und – Schnittstellen.
Der Instandhalter im Betrieb verwendet das gleiche
Engineeringtool oder eine andere Einrichtung, um
Diagnoseinformationen und aktuelle Sign
6.4 Datenübertragung
Abhängig von Art und
Verwendung der Daten
werden verschiedene
Methoden / Verfahren zu
ihrer Übertragung eingesetzt
(Bild 6.4).
Leit-
Einrichtung
(Station 1)
Datenverarbeitung
In der untersten Ebene, der
Prozessleitebene bzw. ggf.
der Einzel - Leitebene,
müssen aktuelle Prozess-
I
werte als einzelne Signale
schnell der Leiteinrichtung „Anlage“ (Prozess)
zur Verfügung stehen, um
z.B. Überschwingungen bei Bild 6.4 Datenübertragung
Regelungen zu vermeiden
oder im Gefahrenfall schnell genug einen Gegenbefehl
auszulösen.
Hierzu werden feste Verdrahtung, Bussysteme oder
immer mehr drahtlose Systeme verwendet, die in
der Lage sind, schnell genug zu übertragen, z.B.
Feldbusse (wie PROFIBUS), oder ein Produkt -
spezifischer Prozessbus. Wegen der Vielzahl der
Signale und zur Gewährleistung der geforderten
Geschwindigkeit werden meist mehrere Feldbus-
Systeme in einem Leitsystem benutzt.
Innerhalb der Leiteinrichtung sind ebenfalls schnelle
Übertragungen einzelner Signale nötig, z.B. zwischen
über- und untergeordneten Regelungen. Hier
werden meist Produkt - spezifische Prozessbusse
(„Systembus“) eingesetzt.
Ganz anders ist die Situation beim
- Laden von Bildern in Bedieneinrichtungen,
- Konfigurieren von Leiteinrichtungen,
- Übermitteln von Datenpaketen für Kurven und
Protokolle an höhere Ebenen.
Leit-
Einrichtung
(Station 2)
aus der Leiteinrichtung zu erhalten. Nach Bedarf
verändert er Parameter oder Grenzwerte, simuliert
Signale um Funktionen zu testen, und verändert
auch manchmal Anwenderprogramme. Auch hierzu
werden heute meist normale PCs verwendet.
Der Bediener erhält aktuelle Prozesswerte bzw.
- Meldungen zur Beobachtung und interveniert ggf.
mit Parameter / Sollwertänderungen oder Befehlen.
Dies wird "Bedienen und Beobachten" genannt, in
Englisch: "Operating and Monitoring Serv." (OMS)
Für Schichtleiter und Betriebsingenieure sind
Langzeitbetrachtungen, Statistik, Dispositions-
und Optimierungsaufgaben wichtig. Das bedeutet
Handhabung von Information, englisch
"Information Management Services" (IMS, oder
PIMS von „Process Information Management
Services“)
Mensch -
Maschine -
Schnittstelle
System - Kommunikation:
Aufbereitete Werte
= Datenpakete
nicht zeitkritisch
Konfigurationsdaten, Bilder
Meldungen / Eingriffe
-> Systembus
z.B. Ethernet
->verdrahtet
-> Feldbus
z.B. PROFIBUS
-> wireless
Hier geht es stets um größere Datenmengen, die
nur zusammen verwendet werden können. Das ist
die Stärke allgemein üblicher standardisierter Busse
der Datenverarbeitung wie z.B. Ethernet, die daher
hier als "Systembus" verwendet werden.
Außerdem trägt dies zu der heute geforderten
"Offenheit" eines Leitsystems bei, da die Daten dann
leicht an andere Rechnersysteme weitergegeben
werden können. Die Übertragungszeit ist hier nicht
mehr kritisch. Wertänderungen, deren Zeitpunkt
wichtig ist, werden bei der ersten Speicherung in der
Leiteinrichtung mit einem "Zeitstempel" versehen
Um freien Zugriff von höheren Ebenen auf
Prozessdaten zu haben und gleiche Schnittstellen
(HW und SW) benutzen zu können wird immer mehr
„Echtzeit – Ethernet“ (Industrial Ethernet) eingesetzt.
(Mehr dazu siehe „Systemkommunikation“)
10 AS_Grdl.doc

DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Grundlagen
Erich Kleiner, Juli 2003 7 Strukturen, Realisierungen
7. Strukturen und Realisierungen
7.1 Hierarchie - Ebenen, Funktionen
Größere Steuerungs- (und Regelungs-) Aufgaben
umfassen Teilaufgaben, wie in Bild 7.1.1 am
Beispiel einer einfachen Pumpensteuerung gezeigt:
- Die Bedienung erfolgt z.B. über Tasten EIN / AUS
(heute normalerweise über Bildschirm realisiert),
- Da oft Bedingungen beachtet und Abläufe automatisiert
werden, gehen die Bedienbefehle meist
über eine „Signaleingabe“ (bzw. Schnittstelle) an
ein programmierbares Logik - System (PLS),
- Aus dem Prozess werden Zustände erfasst und
dem PLS über Eingaben zugeführt.
- Im PLS verknüpft die CPU gemäß Anwender -
Programm Befehle und Bedingungen.
- Befehle werden z.B. als 230 V – Signale an eine
Schalteinrichtung (Leistungsschütz) gegeben,
- und diese schaltet die 400 V auf den Pumpenmotor
(hier nicht einzeln dargestellt).
Je mehr Objekte wie Pumpen, Absperrschieber,
Regelventile usw. zu steuern sind, umso mehr
empfiehlt es sich, die Aufgaben pro Objekt zu
betrachten und zu „kapseln“, zumal diese meist viel
aufwendiger sind als hier gezeigt und daher eine
Standardisierung und Mehrfachverwendung Planungskosten
spart und Fehler verringert.
(Automatisierungslevel)
Prozessebene
Anlagen-
Leitebene (Norm)
Gruppen-
Leitebene (Norm)
Bedienung
Einzel-
Leitebene (Norm)
- Steuerung,
&
Regelung
- Messwertaufbereitung,
- Befehsausgabe
Feldebene
- Messwerterfassung
/
- Prozesseingriffe
- Prozess
(Feld)
Je umfangreicher eine Anlage ist, desto mehr lohnt
sich eine Automatisierung. Dazu empfiehlt es sich,
zusammengehörende Teile, wie z.B. Pumpensteuerung
und -Regelung zu Gruppen zusammen zu
fassen, ebenso auf höherer Ebene die beiden
redundanten Pumpen und darüber Pumpenanlage
und Gebläse für den Wärmetauscher.
&
Bedienung: EIN / AUS
24V
Schalteinrichtung
Bild 7.1.1: vereinfachtes Steuerungsbeispiel: Pumpe
So ergibt sich eine waagerechte Unterteilung des zu
automatisierenden Prozesses in gesteuerte bzw.
geregelte Objekte, die mit möglichst wenigen Typen
(„Klassen“) realisiert werden, wie in Bild 7.1.2
waagerecht dargestellt. Sie sind die „Ebene“ der
Einzelsteuerungen, die „Einzel – Leitebene“.
So entsteht eine vertikale Gliederung mit Ebenen,
und zwar umso mehr, je höher der gewünschte
Automatisierungsgrad ist. Dabei ist es sinnvoll,
Aufgaben so weit wie möglich nach unten zu
delegieren, damit die oberen Ebenen einfach
bleiben. So gehört z.B. alles, was dem Schutz von
Antrieben dient, in die Einzelleitebene.
AS_Grdl.doc 11
Eingabe
Verarbeitung
Ein/Ausgabe
Messung
Prozess
PLS
CPU
Niveau
> MIN
digital
#
=
4..20 4..20 mA mA
= =
# #
&
S R
Automatisierungsgrad
Anteil der selbsttätigen
Funktionen
& &
Automatisierungsumfang (Anlagengröße)
230V
400V
Bild 7.1.2:
Automatisierungsgrad

Grundlagen Automatisierungssysteme DHBW Mannheim
7 Strukturen, Realisierungen Erich Kleiner, Sept. 2005
Ebenen: Struktur:
Unternehmens -
Leitebene
Fabrik-, Betriebs -
leitebene
Produktions-
Leitebene
Prozessebene
(Alagen-,
Gruppenleitebene,Einzelleitebene)
- Steuerung,
Regelung
- Messwertaufbereitung,
- Befehsausgabe
& &
Bild 7.1.3: Hierarchieebenen, Funktionen, Realisierung
Als Detaillierung des Phasen / Ebenen - Modells
zeigt Bild 7.1.3 eine fein gegliederte Struktur für Leitsysteme.
Die Aufteilung der Gesamtaufgabe auf
hierarchisch strukturierte Ebenen ist heute im Prinzip
allgemein üblich, tritt jedoch nur bei entsprechend
umfangreichen Anwendungen auf, und wird
auch nicht in allen Anwendungen vollständig benötigt.
So ist in der Fertigungsautomation eine
horizontale Struktur mit vernetzten, selbstständig
agierenden Einheiten („Agenten“) sinnvoller.
Für Unternehmens-, Fabrik- und Produktionsleitebene
ergibt sich eine Unterteilung meist schon
alleine durch die Anordnung der ausführenden
Rechner bzw. der zuständigen Stellen.
Alles, was direkt der Prozessbeeinflussung dient,
wird „Prozessleitebene“ genannt. Die Unterteilung
dieser Prozessleitebene hat folgende Vorteile:
- leichtere Planung und Instandhaltung, da kleine,
für sich abgeschlossene Funktionen leichter ver-
ständlich sind als ein Dickicht von Abhängigkeiten
in einer zusammengefassten Lösung.
- Möglichkeit der Aufteilung auf verschiedene Hard-
ware - Einrichtungen ("Verteilte Leittechnik") zur
Erhöhung der Verfügbarkeit und ggf. Bildung von
Redundanzen, für Prozess und Leittechnik.
- Möglichkeit der räumlichen Verteilung insbeson-
dere der Einrichtungen der Einzelleitebene, und
damit kurze Verkabelungswege zu Sensoren und
Aktoren.
Funktionen:
Marketing- u. Produktionsstrategien,
Mittel-, langfristige Planung
Auftragsverwaltung, -Planung, -Steuerung,
Entwicklung, Konstruktion, Qualitätsplanung
Fertigungs -, Werkstattsteuerung,
Lagerverwaltung, Bestandhaltung
Betreiben einer Produktionsanlage
- gesamter Prozess
- (Funktions-) Gruppen von Aggregaten
Maschinen- / Aggregate -
Steuerung / Regelung / Schutz,
einschl. Diagnose, Simulation, Prüfung
Grenzsignalbildung,
Plausibilitätsprüfung, Simulation,
Linearisierung, Berechnung (z.B. F aus �P)
Messen
(Physikalisch - elektrische Wandlung)
Schalten, Stellen
(Elektrisch - physikalische Wandlung)
Realisierung durch:
- Reduzierung der Signalverbindungen zwischen
verteilten Einrichtungen, da Einzelsignale nur an
eine Einrichtung gehen, und die höhere Ebene
nur zusammengefasste Informationen erhält.
So werden "Automatisierungs - Inseln" gebildet.
- Möglichkeit der Zusammenfassung von Feld- und
Einzelleitebene in dezentralen Strukturen,
z.B. eine Einrichtung für ein Ventil, die Regelung,
Ansteuerung und Messungen enthält, und nur über
einen Feldbus mit der Gruppen / Prozessleitebene
verbunden ist.
Bild 7.1.3 zeigt rechts grob die Einsatzgebiete verschiedener
Arten von Leiteinrichtungen:
- NCs (Numerische Steuerungen in der Fertigung)
enthalten meist nur die Einzelleitebene,
- SPS (oder Industrie - PCs) enthalten meist Einzel -
und ggf. Gruppenleitebene,
- PLS reichen von Einzelleitebene bis Prozessleit-
ebene, und sind meist "verteilt" angeordnet.
Sie kommen auch in Kombination mit unterge-
ordneten SPS vor.
Die übergeordneten Ebenen lassen sich heute über
Schnittstellen in allen Fällen ankoppeln. Interessant
für die Kosten bei Erstellung und späterer Anpassung
an betriebliche Erfordernisse sind aber die
Engineering – Möglichkeiten bezogen auf Durchgängigkeit
durch alle Ebenen.
12 AS_Grdl.doc
Feldgeräte NC Spezielle Rechner
SPS
PLS
PLS
SPS
PLS
Prozess - nahe Leittechnik

DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Grundlagen
Erich Kleiner, Juli 2012 6 Strukturen, Realisierungen
7.2 Realisierungen
Bild 7.2.1: Automationsaufgaben, -Anwendungen und -Systeme
Im obigen Bild (7.2.1) sind heute gebräuchliche
Automatisierungseinrichtungen bezogen auf Aufgaben
und Anwendungen dargestellt.
NC / CNC (Numerische Steuerungen, auch Computer
– unterstützt) wurden für Werkzeugmaschinen-
Steuerungen zur Positionierung / Bewegung von
Werkzeug / Werkstück entwickelt. Sie kommen
heute als spezielle, robuste HW oder als SW in
einem Industrie – PC vor. Anwendung: z.B. eine
automatisierte Drehbank.
Mit Motion Control wird die koordinierte Drehzahlregelung
von Antrieben an Produktionsmaschinen
bezeichnet. Hier kommt es auf hohe Verarbeitungs
– und Datenübertragungsgeschwindigkeit an.
Leistungsmerkmale sind die Anzahl der koordinierten
Achsen und die Genauigkeit. Kommt ebenfalls
als spezielle HW (SPS – Variante) vor oder als SW-
Paket auf IPCs. Anwendung: z.B.: Papiermaschine.
Als RTU (Remote Terminal Unit) wird eine dezentrale
Erfassung weniger Daten mit evtl. einfachen
Prozesseingriffen verstanden (Umwandlung der
Prozesssignale in BUS – Telegramme zur Auswertung
in der Leitebene). HW: Kompaktgeräte oder
PC. Anwendung: z.B. Pumpstation bei einem
Brunnen in der Wasserversorgung.
Die SPS (Speicher - Programmierbare Steuerung),
englisch PLC (Programmable Logic Control) ist die
allgemeine Lösung für Automatisierung in der Industrie.
Sie kommt als spezielle robuste HW in einer
großen Bandbreite von kleinen Kompaktgeräten bis
zu modularen Systemen vor, läuft auf robusten
Industrie – PC – Karten für Hutschienen- Montage,
speziellen Karten in einem PC oder auf einem PC.
Trotz des Namens „Steuerung“ enthalten sie teilweise
auch Regelungsfunktionen (und Anderes).
Leistungsmerkmal ist z.B. die Anzahl der „E/A –
Punkte“.
Als RIO (Remote In / Output) werden dezentrale,
also ausgelagerte Ein / Ausgabegeräte bezeichnet,
die z.B. als Reihenklemmen mit Feldbuskopplung
ausgeführt sind. Einsatz meist bei SPS.
Zur Visualisierung für die Bedienung und Beobachtung
werden bei größeren Einrichtungen spezielle
Visualisierungssysteme eingesetzt. Viele, insbesondere
kleine SPS enthalten Displays oder Touch
Screens.
Unter PIMS (Process Information Management Service)
versteht man die Auswertung der Prozessdaten
für Statistik, Diagnose und Optimierung,
z.B. über die Häufigkeit bestimmter Meldungen.
Als PAC (Programmable Automation Controller)
werden neuere SPS mit PC- Innenleben bezeichnet,
die eine Plattform für alle Aufgaben bieten und Engineering
mit einem Werkzeug und einem Datenbestand
erlauben. Definitionen und Konstruktionen
sind zwischen den Produkten noch verschieden. Sie
sind das „High End“ der Systeme für Fertigungs-
und Produktionsautomatisierung. Engineering z.B.
mit LabView, Daten nach „Tag-Nr.“- organisiert.
PLS (Prozess – Leit – Systeme) wurden für große
Anlagen der Verfahrenstechnik mit hohen Anforderungen
an Engineeringkomfort, Verfügbarkeit und
Diagnoseunterstützung entwickelt, manchmal für
spezielle Anwendungsgebiete, z.B. Kraftwerke. Sie
sind modular aufgebaut und realisieren alle oben
gezeigten Aufgaben. Für Visualisierung und PIMS
werden spezielle oder integrierte Lösungen
eingesetzt.
Tabelle 7.2.1 zeigt die „Spannweite“ zwischen kleiner
SPS und PLS am Beispiel der Eingangszahlen:
Binäreingänge Analogeingänge
Kleine SPS: 12 4
Großes PLS: 10 000 2 000
Intelligente Antriebe übernehmen immer öfter ihre
Steuerung und Regelung selbst.
AS_Grdl.doc 13

Grundlagen Automatisierungssysteme DHBW Mannheim
7 Strukturen, Realisierungen Erich Kleiner, Sept 2005
7.3 Hardware - Strukturen
Ebene Zentrale Struktur Verteilte Struktur mit Prozess - naher Verarbeitung
z.B. SPS z.B. PLS am Feldbus
Unternehmens -
Leitebene
Betriebs -
leitebene
Produktions-
Leitebene
Prozess-,
(Gruppen-)
leitebene
Einzelleitebene
- Steuerung,
Regelung
- Messwertaufbereitung,
- Befehsausgabe
Feldebene
- Messwerterfassung
/
- Prozesseingriffe
Öffentl.Netz,
WAN
Fabr.Netz,
LAN
Systembus
LAN
„Controller“
Schnittstellen
CPU
(Verarbeitung)
Schnittstellen
- Prozess
(Feld)
Bild 6.2.1 Hardware - Strukturen
Bild 7.3.1 zeigt übliche Strukturen der Hardware
heutiger Leiteinrichtungen.
Unternehmens-, Betriebs- und Produktionsleitebene
werden immer durch Rechner realisiert, heute
Standard - PCs oder Workstations. Je nach Art und
Umfang der Automatisierungsaufgabe laufen die
Funktionen dieser Ebenen auf getrennten oder gemeinsamen
Rechnern.
Die darunter liegenden Ebenen können sehr verschieden
realisiert werden.
SPS und PC - Lösungen (sowie frühere "Prozessrechner"
- Lösungen) haben eine zentrale Struktur:
sie enthalten in einem "Controller" (spezielle Hardware)
Einzel-, ggf. Gruppen- und Prozessleitebene,
einschließlich der Ein / Ausgabegeräte für Messwertaufbereitung
/ Befehlsgabe, für einen kompletten
Prozess oder einen Teil davon.
Die Datenverarbeitung (hier: Steuerung, Regelung, )
erfolgt in einem Prozessorgerät (CPU), das Programm
ist aber meist in verschiedene Teile ("Tasks")
aufgeteilt, die auch mit verschiedenen Zykluszeiten
und Prioritäten bearbeitet werden können. Die Software
ist also "verteilt" strukturiert ("Objekt - bezogene
Programmierung"). Eine solche Anordnung
wird auch als "Automatisierungs - Insel" bezeichnet,
da in einer CPU ein zusammengehöriger Teil der
verfahrenstechnischen Aufgabe realisiert wird.
&
Öffentl.Netz,
WAN
Fabr.Netz,
LAN
Systembus
LAN
&
& Prozessbus
(spez.Bus, Feldbus)
&
Feldbus
Prozessleitsysteme (PLS) enthalten eine Anzahl
zentral strukturierter Automatisierungsinseln oder
Controller mit mehreren CPUs oder eine größere
Anzahl kleinerer Controller. Die Gesamtaufgabe ist
hier auf viele kleinere Einrichtungen verteilt, das ist
eine "verteilte" Struktur.
Die Ein / Ausgabegeräte sind über spezielle Busse
oder standardisierte Feldbusse angeschlossen.
Letzteres erlaubt die Verwendung von "intelligenten"
Feldgeräten: z.B. Messumformern mit integrierten
Funktionen zur Messwertaufbereitung (hauptsächlich
Plausibilitätsprüfung. Solche Geräte können
über das Bus - System des PLS über spezielle
Rechner oder über die Kommunikationseinrichtungen
des PLS auch konfiguriert werden.
Der Trend geht zur "dezentralen" oder "Prozess -
nahen Struktur": Hier sind Messwerterfassung und
komfortable Aufbereitung einerseits und / oder
Einzelsteuerung / Regelung und Prozesseingriff in
kombinierten Einrichtungen zusammengefasst, die
über einen Feldbus mit dem PLS verbunden sind, in
dem nun nur die Aufgaben der Gruppen- und
Prozeßleitebene realisiert sind (auch "Leitebene"
genannt).
Beispiel: Regelventil in einem Gehäuse für Messwerterfassung,
Regelung, Leistungssteller, Ventil.
Hier können z.B. Drehmomente analog gemessen
und überwacht werden, einschl. Historie.
14 AS_Grdl.doc
&
„intelligente“ Feldgeräte
Öffentl.Netz,
WAN
Fabr.Netz,
LAN
Systembus
LAN
& & &
Prozessbus
Feldbus
&

DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Grundlagen
Erich Kleiner, August 2012 8 Anhang
Betrachtet man den Weltmarkt, so sind bis heute
zwei verschiedene Philosophien festzustellen:
In USA und den meisten (von den USA beeinflussten)
asiatischen Ländern ist (noch) die zentrale
Struktur mit redundanter CPU und einfachen Ein /
Ausgabegeräten üblich, wobei alle Verarbeitungsfunktionen
in der CPU realisiert werden.
In Europa und Indien wird die verteilte bzw. dezentrale
Struktur mit intelligenten Eingabegeräten sowie
Ausgabegeräten mit den wichtigsten Absteuerungen
8 Anhang
8.1 Aktuelle Automatisierungssysteme
In Tabelle 8.1.1 sind einige aktuelle Automatisierungssysteme
als Beispiele zusammengestellt.
Tab. 8.1.1 SPS - Beispiele
Tab. 8.1.2: PLS - Beispiele
bevorzugt. Bei der dezentralen Struktur gibt es bei
deutschen Herstellern zwei Strömungen:
a) nur zeitkritische Absteuerungen im Antrieb, oder
b) Einzelsteuerung und –Regelung im Antrieb.
In manchen Anwendungsgebieten wird auch Prozess
- Redundanz eingesetzt, deren höhere Verfügbarkeit
durch eine dezentrale Struktur der Leittechnik
unterstützt wird.
Im Zuge der stärker werdenden Feldbus - Anwendung
bzw. dem Vordringen des “Industrial Ethernet“
(Echtzeit) ins Feld geht der Trend heute ganz klar zu
dezentralen Lösungen ( a oder b).
Zurzeit ist festzustellen, dass die bisher verschiedenen
Leitsysteme für die verschiedenen Anwendungen
zusammenwachsen, d.h. neue Systeme aus
Kostengründen für möglichst viele Anwendungen
entwickelt und aktualisiert werden.
AS_Grdl.doc 15

Grundlagen Automatisierungssysteme DHBW Mannheim
8 Anhang Erich Kleiner, Juli 2003
8.2 Historische Entwicklung der
Automatisierungstechnik
Manche Begriffe und Methoden sind eigentlich nur
verständlich, wenn man weiß, wie sich die
Automatisierungstechnik im Laufe der Zeit entwickelt
Zeit
(grob)
2000
1990
1980
1970
1960
Bild 8.2.1: Historische Entwicklung der Leittechnik
hat. Bild 8.2.1 gibt dazu eine grobe Übersicht.
Die Jahreszahlen markieren, ab wann bestimmte
Entwicklungen eingesetzt wurden. Das geschah oft
nur in einzelnen Systemen oder gar Projekten, der
breite Einsatz kam oft viel später.
Messung Steuerung Regelung Kommunikation Engineering
Feldbus
IT - Techniken
standardisierte
Betriebs - Optimierung Eng.-Werkzeuge
Ethernet als Komm.Bus
verteilt verteilt integrierte
(Feldbus) (Feldbus) Integration OMS/IMS Eng.-Systeme
(Produkt-spez.)
Expertensysteme
8.3 Wichtige Normen der MSR-Technik (Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik, = Leittechnik)
DIN IEC 60050 „Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch“, Teil 351 „Leittechnik“
(DIN 19222 und 19226 sind zurückgezogen!)
DIN 19235 MSR, Meldung von Betriebszuständen
integrierte Leitsysteme (Steuerung, Regelung und Kommunikation) mit Systembus
Bildschirmbedienung OMS FUP am
(Bedienung, Beobachtung) Bildschirm
Prozessbus Diagnose-Rechner
HART - Protokoll Rechnergestützt
(Tabellen)
speicherprogrammierte Elektronik
integrierte Leitsysteme (Steuerung und Regelung)
Systemregler
Schutzsysteme (Regelungssysteme)
Prozessrechner für Automatisierung Prozessrechner für IMS
steigende Zahl verbindungsprogramm. Verbindungsprogramm. (Information Management Funktionsplan (FUP)
von „Fern - Elektronik Elektronik „Zeitfolgemelder“ (von Hand)
messungen“
Relaissteuerungen Kleinwartentechnik
Stromlaufplan (KOP)
Schütze, Relais Kompaktregler Bedientafeln Wirkschaltplan
vor-Ort - Anzeigen (Schalter, Taster, Lampen)
IDIN EN 60027-6 Formelzeichen für Regelungs- und Steuerungstechnik (international verbindlich)
DIN EN 50178 (VDE 0160) Ausrüstung von Starkstromanlagen mit elektronischen Betriebsmitteln
DIN EN 60617 Schaltzeichen (98) Teil12: Binäre Elemente
(99-04) Teil13: Analoge Elemente
DIN EN 60848 Entwurfssprache GRAFCET für
Ablauf - Funktionspläne (92-02) (auch IEC) (ersetzt seit 2005 DIN 40719)
DIN EN 61131 Speicherprogramm. Steuerungen Teil 1 Allgemeine Informationen
(gemäß internationaler Norm IEC 61131) Teil 2 Betriebsmittelanforderungen und
Prüfungen
Teil 3 Programmiersprachen
Teil 5 Kommunikation
Teil 7 Programmierung von Fuzzy-Systemen
Beiblatt 1 zu DIN EN 61131-1 Leitfaden für Anwender (auch unter VDI/VDE 3696 Bl.2 95-10)
Beiblatt 1 zu DIN EN 61131-3 Leitlinien für die Anwendung und Implementierung von Programmiersprachen
16 AS_Grdl.doc

DHBW Mannheim Automatisierungssysteme Grundlagen
Erich Kleiner, Juli 2003 8 Anhang
8.4 Symbole
8.4.1 Elektrotechnische Symbole, hauptsächlich DIN 19227
8.4.3 Schaltpläne, Binäre Elemente (IEC und DIN EN 60617-12)
Allgemein:
Binäre Verknüpfungsfunktionen:
Form: Rechteck, &
(„Kontur“) Seiten beliebig
Funktion: Symbol,
Name oder
AND
eindeutige Abkürzungen S 1
Wirkungs-
R1
Richtung: von links nach rechts,
oder von oben nach unten,
abweichend: Bez. od. Pfeil
Signaldefinition:
Dargestellte Funktion gilt
für Logik- Zustand „1“ „1“
(= „GUT“, „WAHR“) „1“
&
„1“
alternativ auch mit den physikalischen
Signalpegeln „H“/„L“ (H: höherer Wert)
Signaleinwirkung ( = „1“
statisch:
E1 A
E2 &
E1
E2
A
dynamisch: (hier E2 auf „Flanke“)
E1 A
E2 &
negierend:
P
Umformung von / nach z.B.: I = Pressure / Strom (I), Anordnung: horizontal (vorzugsweise links -> rechts)
oder: vertikal (vorzugsweise oben -> unten)
E1
E2
A
E 1 A E 1 A
Freigabe: 0 an EN
setzt alle Ausg. Auf 0
E
A
EN
Bild 8.4.3.1: Binäre Elemente (1)
UND
ODER
Exclusiv-
ODER
E1 A
E2 &
E1 A
>1
E2
E1 A
=1
E2
Äqui- E1 A
=
valenz E2
( = Antivalenz)
E1
E2
A
AS_Grdl.doc 17
E1
E2
A
E1
E2
A
Kombinierte Binäre Funktionen:
NAND
NOR
„Sperr-UND“
Kombination
von Konturen
(Platzgründe)
Anwendung: z.B. Messumformer, Eingabegerät (I/#) = Strom (analog) -> digital
Kontakt, gezeichnet im nicht betätigten / spannungslosen Zustand (bzw. „kein Medium“) = „normally“
als „Schliesser“ (NO = normally open) oder „Öffner“ (NC = normally Closed)
Anordnung: horinzontal oder vertikal
Anwendung: z.B. Druckgeber, Endschalter Relaiskontakt Taste
Relais (Schütz), gezeichnet im spannungslosen Zustand, mit Schließer(n) und / oder Öffner(n)
Anordnung vorzugsweise wie dargestellt
Anwendung: z.B. Leistungsschalter für Motor
Leistungssteller (elektronisch) Anwendung: z.B. Speisung für Drehzahl - geregelten Motor
Bild 7.4.1:Allgemeine elektrotechnische Symbole
8.4.2 Verfahrenstechnische Symbole nach EN ISO 10628 (in speziellen Anwendungen weitere spez. Symb.)
Rohrleitung
Apparate, z.B.:
Pumpe Verdichter (Gebläse)
Flussrichtung
Wärme-
Absperrarmatur allg. Schieber Ventil Hahn
Armatur mit stetigem Stellverhalten
Drei
Wege
Rührer Zerkleinerung
Tauscher
(für bestimmte Position bei Regelung) Antriebe: Allgemein, Elektromotor, Membran Magnet
Rückschlagarmatur allg.
(verhindert Rückfluss)
Rückschlag-
Ventil
M
(pneum. / Hydr.)
Absperrklappe (Anwendung: bei Gasen)
z.B. an Ventil:
Klappe mit stetigem Stellverhalten
Rückschlagklappe (verhindert Rückfluss)
Bild 8.4.2: Verfahrenstechnische Symbole
E1 A
E2 &
E1 A
>1
E2
E1 A
&
E2
&
>1
=
E1
E2
A
E1
E2
A
E1
E2
A
E1
E2
A
&
>1
(1 Bit - ) Speicher:
R/S - Flip-Flop (Rücksetzen / Setzen)
Grundsymbol
S
S
R R
Ausg.
?
?
Signal-Definition nach Einschalten
der Speisespannung
I = 0
S
S
R R
Ausg.
?
Definition der Dominanz
(„Vorfahrt“, wenn S & R = 1)
S 1
R1
S
R
Ausg.
(über die Nr., hier „1“, Zuordnung
des dominierenden Eingangs)
Ausgang behält Zustand auch nach
NV
S
R
M
Spannungs - Ausfall
(Non Volatile)
Darstellung des
negierten Ausg.
1 0 Alte Darstellung
1 1 Lage nach Spann. EIN
Andere FlipFlops wie „Master-Slave“
und „J-K“ kommen kaum vor.
M

Grundlagen Automatisierungssysteme DHBW Mannheim
8 Anhang Erich Kleiner, Juli 2003
Die hier in den
Bildern 8.4.3…
gezeigten Symbole
sind ein
Auszug aus der
Norm, die ganz
allgemein gilt,
auch für die
Dokumentation
von ICs.
Die Norm ist
aber so flexibel
erstellt, dass
die hier getroffenenFestlegungen
auch für
die Erstellung
von Funktionsplänen
gelten
können.
Für SPS gibt es
eine spezielle
Norm (DIN EN
61131), die auf
60617 aufbaut
und auch die
zumindest gefordertenFunktionen
und
Funktionsbausteine
festlegt.
8.4.4 Schaltpläne, Analoge Elemente
Die Beispiele in
der Norm für
analoge Elemente
beziehen sich
fast nur auf
Operationsverstärker.
Daher
zeigt Bild 8.4.4 in
Spalte 2 und 3
analoge Funktionen,
wie sie in
PLS hauptsächlich
für Regelungsaufgaben
üblich sind.
Zeitglieder (binär)
Einschalt - Verzögerer
Z.B. 2s
Eingang E
E
T
A
2s 0
Ausschalt - Verzögerer
E
T
A
Trigger / Blocker / One-Shot
Monostabiles Element
E
T
A
Z.B. 2s
Eingang E
0 2s
nachtriggerbar
Z.B. 2s 2s
Eingang E A
1 nicht nachtrigg.bar
Betriebsart „Abbruch“
(nicht in der Norm):
E
T
A
A
A
Astabile Elemente
Taktgenerator
allgemein gesteuert / !G = synchronisiert
G G = G
Wandler
Element mit Hysterese (Analog - binär)
E
. . .
(
Hyst.
für „kleiner“)
Digitale Funktionen
Binär - Zähler, 14-stufig
18 AS_Grdl.doc
A
Codierer, Code - Umsetzer
. . .
. . .
allgemein
X / Y
. . .
DEC/BCD
0 1
1 2
.. 4
9 8
&
Art der Umsetzung.
- im Kennzeichen (X/Y)
und Eing. / Ausg. Bez.
- oder Tabelle
Beispiel:
von Dezimal
nach BCD
Multiplexer / Demultiplexer (spiegelb.)
a
b
c
d
e
f
MUX
0
G --
1
0
..
4
0
4
Bild 8.4.3.2: Binäre Elemente (2)
Allgemein:
Form, Wirkungsrichtung:
wie bei binären Elementen
Funktion: F(x1 .. Xn)
A � f �x .. x � x1
A
#
U
#
Analoger
Eingang / Ausgang
Digitaler
Eingang / Ausgang
(nicht in Norm, aber üblich:
binärer Eingang / Ausgang)
BIN in Umsetzern für binär
// isolierend (z.B. U // U)
X
Zm
m
1
n
Beispiel:
A � X � Y
. . .
xn
XY
X
Y
A
Analoger Operand
(vorzugsweise X, Y,
aber auch andere)
Eingang Zm „zwingt“
allen mit m markierten
Ausgängen seinen
Wert auf (m: Zahl)
g
Beispiel: 1 aus 4
schaltet c .. f auf g
(G: Abhängigkeit der
nachf. Ziffern (Eing.0 - 4)
von G-Eing. 0 und 1
vorw. Zählen
Rücksetzen
CTR14
+ 0
CT=0 1
2
CT 3
4
...
13
ZAE
E A
EW
R
Bit-Ausgänge,
(Bei IC - Dok.
ggf.nicht alle
vorhanden)
Nicht in der Norm, aber in PLS sinnvoll:
Zähler auf Endwert EW
(Puls-)
Zähleingang
Endwert
Rücksetzen
Bild 8.4.4: Analoge Elemente, Norm und PLS - Funktionsbausteine
Endwert erreicht
Schieberegister, 8 bit, serieller Ein / Ausg.
Dateneingang (1)
„Schiebe-Eingang“
SRG8
1D A
C1/
Daten -
Ausgang
(übernimmt mit 1 Flanke bit von D1)
Hierbei oft verwendet: „Steuer - Block“
EN
Steuert darunter
angeordnete
Funktionsblöcke
Analoge Funktionen (Beispiele) wie in PLS - Funktionsbeschreibungen verwendet
Signalbereich: -100 ... +100 %
E*: Eingangszahl erweiterbar
Summierer
(Addierer)
Multiplizierer
Summier-
Multiplizierer
E1 A
E2*
E1 A
E2 x
E1 A
E2*
K
Dividierer E1 A
E2 /
Radizierer E A
Kleinstwert-
Glied
(ebenso:
Größtwert)
Absoutwert-
Bilder
MIN
E1 A
E2*
ABS
E1 A
Begrenzer BEG
OG
UG
E
A �
E1
E2*
A
E1�
E2
100%
E1
A � �100%
E2
E
A
OG
UG
A � E1�
E2
*
�E1 E2
* �
A � K �
A � | E | �100
E
A
Zeitglieder (analog)
Verzögerungsglied
Eingang
Prop. Verst.
Verz. Zeit
Integrierer
Eingang
Integrationszeit.
Rückstellung
Differenzierer
Eingang
Prop. Verst.
Diff. Zeit
Diff. Verst.
Umschalter
oder: S
E1 A
E2
PT1
E A
Kp
T1
INT
E A
Ti
R
PDT
E A
Kp
T1
Kd
UMS
X1
1 1
1
E
A
E
A
E
A
KD
KP
=
T1
Ti
(Abhängigkeitsnotation
wie Norm)