Teil 1

Subjekt:

• Element derAutomatisierungstechnik, wird eingesetzt in Produktions- und Logistikanlagen (z.B. Positionssensoren, Sicherheitstechnik, SPS Software, Kommunikationstechnik)

Objekt:

• durchläuft automatisierte Produktions- und Logistikprozesse

Diskontinuierliche Prozesse

• Chargenprozesse (diskrete Zeitpunkte für Einsatz von Stoffmengen) z.B. Bierherstellung, Pharmazie

• Stückprozesse (Verarbeitung/ Transport identifizierbarer Einzelobjekte zu diskreten Zeitpunkten)

  
  

Ampelschaltung auf dem Weg zur Uni

• Zustand: Die aktuelle Situation eines Systems (z. B. Ampel auf Rot -> Autos halten)

• Zustandsübergang: Wechsel von einem Zustand in einen anderen (z. B. Rot → Grün bei einer Ampel)

• Ziele: Zuverlässigkeit, Effizienz und Sicherheit der Steuerung

• Modelle simulieren Prozesse, identifizieren Schwachstellen und optimieren Steuerungsstrategien

Unterschiede:

• Produktionstyp: Kontinuierlich (durchgehend), batchweise (in Chargen) oder einzeln (stückweise)

• Flexibilität: Kontinuierliche Prozesse sind unflexibel, Chargenprozesse bieten moderate Flexibilität, und Stückprozesse sind hoch flexibel

• Effizienz: Kontinuierliche Prozesse sind am effizientesten, Chargenprozesse weniger, und Stückprozesse am wenigsten effizient

• Anwendungsbereiche: Kontinuierliche Prozesse für Massenproduktion, Chargenprozesse für variierende Anforderungen, Stückprozesse für Individualanfertigungen

Kontinuierlicher Prozess:

• Ständiger Zu- und Abfluss von Material bzw. Energie (Stromerzeugung Kraftwerk, Zementherstellung)

• Verteilungsprozesse (Transport von Schüttgütern)

  
  

  -> Bei Stahlblechherstellung: kontinuierliches Warmwalzen/ durchgehendes Band Stahlblech

Chargenprozess:

• festgelegte Mengen eines Produktes hergestellt

• Prozess startet und endet für jede Charge seperat

  
  

  -> Einzelbleche zuschneiden

Stückprozess:

• identifizierbare Einzelobjekte

  
  

  -> individuelle Herstellung der Einzelprodukte/ Fertigung Karosserieteile aus Stahlblech (Bleche mit besonderen Formen und Funktionen)

  
  

  
  

  
  

  
  

  
  

  
  

Gemeinsamkeiten:

• Sequentielle Bearbeitungsschritte

• Transport über Förderband zw. Bearbeitung

• SPS-gesteuert

• Visualisierung/ Bedienung

• Binäre Sensoren (Anwesenheit, Position)

• Analoge Sensoren (Druck, Temperatur)

• Aktoren (Motoren, Ventile)

• Punktueller Einsatz von Robotern

Unterschiede:

• Konsistenz der zu handhabenden Stoffe (metallisch/ fest - pastös/ flexibel)

• Antriebe zentral - dezentral

Unternehmensleitebene:

• ERP: Enterprise-Ressource-Planning

• unternehmerische Aufgabe Material, Personal, Kapital, Informationstechnik rechtzeitig und bedarfsgerecht zu planen, steuern und zu verwalten

Betriebsleitebene:

• MES: Manufacturing Executions System

• Ermöglicht Führung, Steuerung, Lenkung und Kontrolle von Produktion in Echtzeit

Fertigungsebene bzw. Prozessleitsystem:

• HMI: Benutzerschnittstelle

• SCADA: Supervisitory Control and Data Acquisition/ Computersystem bzw. die Software zur Überwachung und Steuerung technischer Prozesse

• SPS: Speicherprogramierbare Steuerung

• Aktoren/ Sensoren

Erkennen von Objekten, Messen von Zuständen und Positionen, Überwachung von Prozessen

Ob ein Werkstück sich an einer bestimmten Position befindet (binäre Information)

• auf dem Werkstückträger

• Förderband (Beginn oder Ende)

• in einer Bearbeitungsmaschine an der Bearbeitungsposition

• auf einer Ablage bereit zur Handhabung

• in einem Greifer

Ob ein Werkstückträger sich an einer bestimmten Position befindet (binäre Information)

• in einer Bearbeitungsmaschine an der Bearbeitungsposition

In welcher Lage sich das Werkstück/ Träger befindet

• Orientierung für Handhabungs- oder Bearbeitungsvorgang

Messprinzipien:

• mechanisch

• kapazitiv

• induktiv

• optisch

• ultraschall

Auswahl des Messprinzips wesentlich beeinflusst durch:

• Materialeigenschaften des zu erkennenden Objekts

• die Umgebungsbedingungen

Binäre Information ob Objekt vorhanden (1/0)

Mechanische Sensoren

Bauform:

• Einbaugrenztaster

• Schnappschalter (durch tangentiale Berührung ausgelöst)

Funktionsprinzip:

• Krafteinwirkung auf Feder schließt oder öffnet elektrischen Kontakt

Nachteile:

• Berührung erzeugt Verschleiß um kann das Objekt beschädigen

• Masse nötig um zu schalten -> evnt. beschädigt das Objekt den Taster

• Echtzeitkriterium (vielleicht zu spät wenn Objekt bereits gegen Taster stößt)

Vorteile:

• jedes feste Objekt kann erkannt werden

• günstig

Kapazitive Sensoren

Bauform (Zylinderförmige Sensoren):

• Stirnfläche enthält 2 Platten eines Kondensators (konzentrische Kreise)

• Kondensator ist Teil eines Schwingkreises

Funktionsprinzip:

• Messobjekt (mit ε>ε_Luft) verändert Kapazität

• dadurch verändert sich Resonanzfrequenz

• Plattenkondensator: C=A/ε_0*ε_r*d

Nachteile:

• manuelle Trimmung erforderlich, um Schaltbild einzustellen (Vorsicht bei Mat. mit geringer Dichte)

• feine Trimmung ergibt evnt. Störung bei Verschmutzung

Vorteile:

• Fast jedes Material kann erkannt werden

• Berührungslose Messung

Induktiver Sensor

Bauform:

• Ringförmige Sensoren

• Stabförmige Sensoren

Funktionsprinzip:

• Metallisches Messobjekt verändert Induktivitöt einer Spule

• Spule ist Teil eines Schwingkreises

Nachteile:

• Nur für metallische Gegenstände geeignet/ Magnetfeld nötig

Vorteile:

• Berührungslose Messung

• Unempfindlich gegen Verschmutzung (ausser Eisenspäne!)

Optischer Sensor

Bauformen:

• Einweig Lichschranke, Gabel Lichtschranke

• Reflexions Lichtschranke

• Lichttaster

Funktionsprinzip

• Einweg Lichschranke:

  • Sender-Empfänger gegenüber Angeordnet

  • Falls Infrarotlichtstrahl unterbrochen wird, löst der Empfänger einen Kontakt aus

  • (+ für große Distanzen bis zu 30m geeignet)

• Reflexions Lichschranke:

  • Sender-Empfänger sind im gleichen Gehäuse untergebracht

  • Infrarotstrahl des Senders wird von Tripel-Reflektor zum Empfänger zurückgeworfen

  • Unterbrechung des Strahls löst Kontakt aus

  • (+ Nur einseitiger elektrischer Anschluss nötig/ - reflektierende, lichtdurchlässige Gegenstände werden nicht erkannt)

• Lichttaster:

  • Aufbau wie Reflexions Lichtschranke, jedoch ohne Reflektor

  • Auswertung der diffus reflektierten Lichtintensität vom Objekt (helle Objekte reflektieren mehr als dunkle/ nahe Objekte reflektieren mehr als ferne)

  • Auswertung des Reflektionswinkels verbessert Trennung von Objekt und Hintergrund

  • (+ Am besten für helle Objekte vor dunklem Hintergrund/ oder invertiert)

Nachteile:

• Verchmutzungsanfällig (Staub, Nebel, Öl)

• Teuer

Vorteile:

• Berührungslose Messung

• Messung auch über größere Entfernung

• In Verbindung mit Lichwellenleitern wird am Messort nur ein minimaler Einbauraum benötigt, kann auch in explosionsgefährdeten Bereichen gemessen werden

Ultraschall Sensor

Bauform:

• zylindrisch

Funktionsprinzip:

• Aussenden eines Impulses

• Messung der Zeit bis zum Empfang des reflektierten Impulses

Nachteile:

• ungeeignet bei schallabsorbierenden Oberflächen (Schaumgummi, Stoff)

• bei ungünstigen Reflexionswinkel kann Erfassung misslingen

Vorteile:

• Erkennt fast jedes Material: fest, flüssig, körnig, durchsichtig

• Reichweite einstellbar -> Oberflächenabhängig

• Optische Identifikation (Barcode/ QR-Code)

• Funkbasierte Identifikation (RFID)

Neben binärer Information ob ein Objekt vorhanden ist, Soll identifiziert werden können, um welches Objekt es sich handelt

Optische Identifikation

• Leseprinzip: Lesen mit Hilfe eines Lasers (Reflexion) oder einer Kamera

• Nachteile: Anfällig gegen Verschmutzung, Fremdlichteinfall und Reflexion

• Vorteile: Berührungslose Identifikation möglich, Barcodierung robuster als Binärcode

Barcode:

• Codierte ID in kontrastreichen schwarz-weiß Balken

QR-Code:

• Codierte Information in schwarz-weiß Pixelmuster mit Orientierungselementen (höhere Speicherkapazität und Fehlertoleranz)

Identifikation mit RFID

• Prinzip: stationärer Sender sendet elektromagnetische Strahlung aus, mobiler Empfänger empfängt Strahlung nutzt die enthaltene Energie und sendet seinerseits individuelles Signal (ID) aus, stationärer Empfänger beim Sender empfängt Signal

  • passive Energieversorgung im Nahbereich (induktive Kopplung)

  • aktive Energieversorgung bei längeren Disntanzen über Batterie

• Nachteile: Feldschwächen, Abschirmung

• Vorteile: Wiederverwendbarkeit, dynamische Datenerhaltung, Speicherkapazität hoch, kein Sichtkontakt erforderlich, “Pulkerfassung”

Mittels RFID-Sensorik nicht nur identifizieren und lokalisieren, sondern auch überwachen

• Arbeitsvorgänge in Produktion, Materialfluss und Logistik lassen sich optimieren

  • passive RFID: keine Anbindung an Stromversorgung nötig, wartungsfrei

  • Antenne 8x2cm

  • UHF-Technik

  • Sensoren für Druck, Feuchtigkeit, Erschütterung oder temperatur integrierbar

• Mögliche Anwendungen: Zustandsüberwachung von Großanlagen, im Bauwesen, in der Instandhaltung, in der Logistik etc.

• Einabu in unterschiedliche Produkte, Maschinen, Objekte

Absolute Lagegeber geben in jeder Position eine vollständige Lageinformation. Inkrementelle Lage-Geber erfassen nur die Änderung

optische Bauform: Auf Scheibe sind zyklisch lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche aufgebracht

• erfassen nur Lageänderung

• zur Ermittlung der absoluten Lage ist ein Bezug zu einer Anfangs-Referenz nötig

• Referenz muss bei Verlust/ Wiedereinschalten erneut hergestellt werden

• Bewegungsrichtung kann nicht erkannt werden (mit einem einzelnen Sensor)

  • zwei Sensoren leicht versetzt Angeordnet können Richtung erkennen

optische Bauform: Auf Scheibe sind in jedem Ring zyklisch lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche aufgebracht

• geben in jeder Position eine vollständige Lageinformation

• je nach gewünschter Auflösung ist dazu eine größere Anzahl Einzelsensoren erforderlich (Anzahl Bereiche=2^Lichtschranke)

2^3=8 Bereiche -> erkennt Lage in 8 versch. Zust.

2^10=1024 Bereiche -> 1/3 Grad genau

erfolgt nach folgenden Kriterien:

• Sicherheit im Sinne von:

  • Funktionssicherheit

  • Ausfallsicherheit

  • Sicherheit für den Bediener

• Material des zu detektierenden Objekts

• Einsatzumgebung (Atmosphäre, Temp., Druck, Feuchte)

• Einbauraum

• Notwendigkeit berührungsloser Messung

• Preis

• Hohe Flexibilität, einfache Installation

• Realisierung durch Batteriebetrieb oder Elektromagentische Strahlung

6 Schritte zu einer sicheren Macshine

1. Risikobeurteilung (-> A-Norm)

   
   

   Risikominderung nach der 3-Stufen Methode -> A-Norm:

2. Sicheres Gestalten (-> B1-Norm)

3. Technische Schutzmaßnahmen

4. Benutzerinformationen über Restrisiken

   
   

5. Gesamtvalidierung der Maschine

6. Inverkehrbringen der Maschine

-> Risikobetrachtung=Risiko-Beurteilung + Risiko-Minderung (iterativer Prozess)

Start:

• Funktionen der Maschine (Festlegung der Grenzen)

  • Spezifikationen

  • räumliche Grenzen

  • Lebensdauer

  • (Fehl)-Funktionen

  • beteiligte Personen/ Produkte

  • bestimmungsgemäßer Begrauch/ vorhersehbarer Missbrauch (absichtlich und unabsichtlich)

• Identifizieren von Gefährdungen

  • mechanisch, Schwingungen

  • elektrisch

  • thermisch, Strahlung

  • Lärm

  • durch Material und Substanzen

  • Umgebung

  • kombination von Gefährdung (Betrachtung in allen Phasen der Lebensdauer)

• Risikoeinschätzung

  • Risiko=Schadensausmaß*Eintrittswahrscheinlichkeit

• Risikobewertung

  • Iterativ -> Risiko angemessen reduziert (Ja: Fertig/ Nein: weiter mit Schritt 2 Risikominderung)

Start:

Risikominderung durch sicheres Gestalten (2)

• Mechanik, Elektrik, Bedienung

  • Gefährdung nicht erst entstehen lassen/ Bedienpersonal nicht im Gefahrenbereich/ Warnfarben u. klare Beschriftung/kein direkter Zugang zu elektrischem Strom etc.

• Handlung im Notfall

  • Befehlseinrichtungen zum betriebsmäßigen Stillsetzen der Maschine einplanen

  • Not-Aus und Not-Halt

• EMV-Richtlinien (Elektromagnetische Verträglichkeit)

  • keine eletromagentischen Störungen verursachen die andere Geräte u. Anlagen stören

  • erwartbare Störungen standhalten

technische Schutzmaßnahmen (3)

• Schutzeinrichtungen die nicht von einer Steuerung abhängig sind

  • Barrieren, Abdeckungen

• Schutzeinrichtungen die von einer Steuerung abhängig sind -> Funktionelle Sicherheit

  1. Sicherheitsfunktionen festlegen z.B. Lichtvorhang, Zweihandeinrichtung (3a)

  2. Sicherheitsniveau festlegen (3b) -> mit C-Norm oder EN ISO 13849-1 oder EN ISO 62061 (SIL)

  3. Entwurf Sicherheitsfunktion (3c)

  4. Verifizierung der Sicherheitsfunktion (3d) -> Kontrolle ob die Anforderungen erfüllt wurden

  5. Validierung (3e) -> Erbringung des dokumentierten Nachweises

Benutzerinformation über Restrisiken (4)

• z.B. Warnhinweise, Piktogramme, Schulungen, Schutzausrüstung

• am wenigstens Effektiv, nur wenn 2 und 3 nicht ausreichend

Alle Maßnahmen, also konstruktive, technische und organisatorische im Zusammenhang bewerten

• Alle Lebensphasen/ Zustände der Anlage berücksichtigt?

• 3-Stufen Methode angewendet?

• Risiken und Gefährdung soweit wie praktisch möglich/ angemessen reduziert?

ggf. Prüfstelle einbeziehen

Nachdem die Konformität in Schritt 5 hergestellt wurde, kann im Zuge der Fertigstellung der technischen Dokumentation die Konformitätserklärung ausgestellt und das CE-Zeichen an der Maschine angebracht werden

Mit der Maschine muss eine Betriebsanleitung in Amtssprache des Verwendungslandes mitgeliefert werden -> dies muss die Originale Anleitung sein, sonst ist die Orginale + Übersetzung zu liefern

C-Normen regeln die detallierten Sicherheitsanforderungen an eine bestimmte Maschine oder Gruppe von Maschinen

Wenn für die betrachtete Maschinenart eine C‐Norm existiert, hat sie Vorrang gegenüber einer B‐ oder A‐Norm. Falls zusätzliche Gefährdungen bestehen, die in der Norm nicht angesprochen sind, oder wenn keine spezielle C‐ Norm für die Maschine existiert, muss die Risikoreduzierung nach A‐ und B‐Normen vorgenommen werden

Risikobetrachtung=Risiko-Beurteilung + Risiko-Minderung (iterativer Prozess)

Beurteilung:

• Funktionen der Maschine (Festlegung der Grenzen)

• Identifizieren von Gefährdungen

• Risikoeinschätzung

• Risikobewertung

Minderung:

• sicheres Gestalten

• technische Schutzmaßnahmen

• Benutzerinformation über Restrisiken

• Lichschranken/ Vorhänge

• Taster (Zweihandbedienung, Not aus)

• Kontaktschleifen

Dimensionierung nach Norm wie EN ISO 13849 und EN 62061

Festgelegt in C-Norm (EN 1525)

• Kollision mit Personen oder Objekten (fehlerhafte, unzureichende Sensorik)

• Umkippen des Transportsystems (unsachgemäße Beladung)

• elektrische/ mechanische Fehlfunktionen (unkontrollierte Bewegung)

• Gefährdung durch Energiequellen (Batterien), Umgebungseinuflüsse (Fremdkörper oder schlechte Sichtverhältnisse/ Licht)

• Fehlbedienung

Zusätzlich zu technischen Schutzmaßnahmen sollte Personal optimal geschult und Sicherheitskleidung bereitgestellt werden.

Organisatorische Maßnahmen:

• Sicherheitsrichtlinien

• Schulungen

• Überwachung durch Sicherheitsbeauftragte

• Zugangsbeschränkung zu Gefahrenzonen

Persönliche Schutzmaßnahme:

• Persönliche Schutzausrüstung (Helm, Schutzbrille, Gehörschurt etc.)

• 4 Augen Printip um menschliches Fehlverhalten zu verhindern

• Linearantriebe (elektr.)

  • Langstator: Stator -> Fahrweg, Rotor -> Fahrzeug

  • Kurzstator: Stator -> im Transportschliten, Rotor -> Fahrweg

• Fluidantriebe (meist Pneumatikzylinder, Hydraulikzylinder)

  • Zylinder durchfährt Distanzbereich (Pos. ist analoge Größe)

• Umwandlung von Rotation in Translation

  • Förderband (benötigt Ketten oder Riemen) -> erhöter Verschleiß/ ungenau

  • Kurvenscheibe oder Pleuelstange -> Unflexibel/ keine gleichmäßige Bewegung

Ausschleusen Packet -> Förderband/ Linearantrieb

Heben Stanze -> Fluidantrieb

Umschalten des Ventils durch Hebelweg, steuert Druckluftzufuhr zu Verbraucher (Ventilpostition ist binär)

• 3 Anschlüsse des Ventilrahmens

  • P: Druckzufuhr

  • R: Auslass

  • A, B: zum Zylinder

• 2 Positionen des Ventilschiebers

-> nur geeignet für einfach wirkende Zylinder (Auf/ Zu)

• Fluidantrieb (Steuerung steuert Wegeventil an) -> I-Verhalten

• Wegeventil (Wegeventil steuert Zylinder an) -> P-Verhalten

Verbindungsprogrammiert: Über (logische) Schaltungen, sowohl elektrisch als auch fluidtechnisch, realisierte Steuerungen

SPS: Software, Steuerung z.B. in Ablaufsprache

Vorteil SPS:

• Änderungen können schenller und mit weniger Aufwand implementiert werden ohne Hardwareanpassung

  • mögliche Änderungen: Bewegungsreihenfolge tauschen, Pausen zwischen Bewegungen, Ablauf erweitern

• frei programmierbarer Ablauf

• Standardisierung von Steuerungssystemen

• Flexibilität und Portabilität

• Unterstützung verschiedener Programmiersprachen

  • Textbasiert: Strukturierter Text (ST), Anweisungsliste (IL)

  • Grafisch: Kontaktplan (LD), Funktionsbausteindiagramm (FBD), Ablaufsteuerung (SFC)

• Modularität

  • Funktionen, Funktionbausteine und Bibliotheken für Programmteile

• Förderung der Wartbarkeit

  • klare festgelegte Strukturrierung und Dokumentation der Programme

• Sicherstellung der Interoperabilität

  • Standardisierte Schnittstellen

• Integration in Automatisierungsprozesse

1. Klassisch: Steuerung eines Förderbandes mit einer proprietären Sprache eines bestimmten Herstellers. Das Programm ist nicht auf andere Hardware übertragbar.

   • Hardwareorientiert

   • herstellerspezifische Programmiersprachen

   • fehlende Standardisierungen

     
     

2. IEC 61131: Programmierung des gleichen Förderbandes mit Funktionsbausteinen (FBD). Der Code ist standardisiert, modular und kann auf SPS unterschiedlicher Hersteller übertragen werden.

   • Strukturierte Dokumentation

   • Standardisierte Sprachen

   • Herstellerunabhängig

AS: Ereignisgesteuert

• Steuerung mit einem zwangsläufig schrittweisen Ablauf

• Weiterschalten von einem Schritt in den nächsten erfolgt abhängig von einer Weiterschaltbedingung -> Transition

• Die meisten Steuerungsaufgaben in der Fertigungs- und Prozessautomatisierung haben mit zeitlichen Abläufen zu tun, die als Folge von Schritten beschrieben werden können

  • Die Steuerung überwacht in Echtzeit, ob die aktuelle Weiterschaltbedingung erfüllt ist

Verknüpfungssteuerung: Zustandsabhängig

• ordnet den Zuständen der Eingangssignale bestimmte Zustände der Ausgangssignale im Sinne Boolscher Verknüpfungen zu

• sämtliche Verknüpfungen einer Steuerungsaufgabe müssen in Echtzeit, d.h. mit dem zu steuernden Prozess schritthalten, ausgewertet und ausgeführt werden

• Steuerungsaufgaben, die mit Sicherheit zu tun haben, sind meist unabhängig von zeitlichen Abläufen im Prozess -> geeignet und typischerweise mit Verknüpfungssteuerung gelöst

Kontakplan und FBS sind typischerweise für logische Steuerungen mit Boolschen Verknüpfungen geeignet, um AS anwenden zu können müssten Zusatzvariablen und Verzweigungen eingeführt werden.

Am besten geeignet:

• Ablaufsprache nach IEC 61131

• Sequential Function Chart (SFC)

Warum?

• klare Struktur, grafische Darstellung von Zuständen und Übergängen

  • Die Schaltbedingungen und Aktionen können mit jeder anderen IEC61131-3-Sprache programmiert werden

• einfache Modellierung

• Parallele Abläufe

  • Unterstützung für Alternativ- und Parallelverzweigung

  • AS/SFC ist besonders geeignet bei nebenläufigen (parallelen) Abläufen

• Intuitive Lesbarkeit

Beispiel:

• Überwiegen zeitliche Abläufe, oder müssen Aufgaben parallel abgearbeitet und dabei synchronisiert werden, löst man das Steuerungsproblem meist mit Mitteln der Ablaufsteuerung

  • Beispiel: Bei einer Waschmaschinensteuerung steht die zeitlich richtige Abfolge von Teilprozessen im Vordergrund.

• Überwiegen Aktionen, die mit Bedingungen unabhängig vom zeitlichen Ablauf zu tun haben, so verwendet man die Verknüpfungssteuerung

  • Beispiel: Eine Aufzugsteuerung muss beim Erreichen eines Stockwerkes entscheiden, ob der Aufzug nach oben oder nach unten oder gar nicht fahren soll.

-> Die Übergänge sind fließend, und grundsätzlich kann jede Steuerungsaufgabe sowohl als Verknüpfungssteuerung als auch als Ablaufsteuerung gelöst werden.

Zusätzlich gibt es noch “Qualifier”, sie bestimmen wie die Aktion innerhalb eines Schrittes ausgeführt wird

• N: Non-stored-action

• R: Reset-stored-action

• S: Set-stored-action

• D: Time-delayed-action

• …

(Binäre) Aktuator-Rückmeldungen: Binäre Rückmeldungen der Aktuatoren sind Signale, die den Status der ausführenden Elemente bestätigen. Beispiele:

• „Ventil geöffnet/geschlossen“

• „Motor läuft/steht“

• „Greifer positioniert/geöffnet“

• „Förderband an/aus“

(Binäre) Prozess-Rückmeldungen: Diese Rückmeldungen liefern Informationen über den aktuellen Zustand des Prozesses. Beispiele:

• „Sensor erkannt/kein Objekt“

• „Behälter gefüllt/leer“

• „Temperatur erreicht/nicht erreicht“

• „Füllstand über/unter Schwellenwert“

(Binäre) Steuerungsbefehle: Der Steuerungsalgorithmus gibt Befehle an die Aktuatoren, um den Prozess zu beeinflussen. Beispiele:

• „Starte/Stoppe Motor“

• „Öffne/Schließe Ventil“

• „Führe Greifvorgang aus“

• „Bewege Roboterarm nach Position A/B“

(Binäre) Benutzer-Eingaben: Benutzer können mit dem System über einfache Schalter oder Taster interagieren. Beispiele:

• „Start/Stop des Prozesses“

• „Manueller Modus ein/aus“

• „Fehlerquittierung“

• „Notschalter betätigt/nicht betätigt“

Moore Automat:

• Beim erreichen eines Zustands Z wird eine Ausgabe Y erzeugt

• Die Qualifier ermöglichen eine genaue Steuerung der Aktionen, reduzieren den Programmieraufwand und machen Steuerungsabläufe verständlicher und wartungsfreundlicher

• Qualifier bestimmen, wie Aktionen in einem Schritt ausgeführt werden. Sie definieren die Bedingungen und Zeitpunkte der Aktionsausführung und ermöglichen eine präzise Steuerung des Verhaltens von Abläufen

Beispiel: Steuerung einer Verpackungsanlage:

• N: Förderband läuft während des Schritts „Transportieren“.

• S: Alarm bleibt aktiv, bis der Fehler manuell zurückgesetzt wird.

• L: Ein Ventil öffnet sich für 5 Sekunden, um ein Produkt abzufüllen.

• D: Ein Signalton ertönt 3 Sekunden nach Abschluss des Schritts „Verpacken“.

• P: Eine Kamera macht ein Foto beim Eintritt in den Schritt „Qualitätsprüfung“.

Ein Modell sollte:

• die Realität in der erforderlichen Genauigkeit abbilden

• die Realität vereinfachen, um handhabbar zu sein

• und daher Abstraktion und Verfeinerung zulassen

Ein Model einer Stererungsaufgabe sollte mindestens:

• kausale Zusammenhänge korrekt wiedergeben

• anschaulich sein -> graphische darstellbar

• simulierbar sein -> mathematisch darstellbar

• analysierbar sein -> simulierbar

Ein Model einer Stererungsaufgabe sollte möglichst:

• auch temporale Zusammenhänge korrekt wiedergeben

• Parallelverzweigung nicht in Mealy/ Moore Automaten vorgesehen

  • trotzdem Abbildbar, jedoch groß und unübersichtlich

• Besseres Beschreibungsmittel: Petri-Netze

  • Petri-Netze sind flexibler und mächtiger, insbesondere bei parallelen und komplexen Systemen, während Automaten einfacher und auf sequenzielle Abläufe beschränkt sind

Hauptunterschiede:

• Automaten

  • Arbeiten sequenziell, keine parallelen Abläufe

  • Jeder Zustand hat genau einen Übergang für ein spezifisches Ereignis

• Petri-Netze

  • Unterstützen Parallelität

  • Übergänge können mehrere Eingabe- und Ausgabebedingungen haben

  • Verwenden Stellen, Transitionen und Kanten, sowie Marken zur Darstellung von Zuständen

Elemente:

• Stellen

  • Knoten im Petri-Netz

  • passive Elemente, welche Zustände bzw. Bediengungen darstellen und somit die momentane Lage des Systems beschreiben (Entsprechen eines Zustands eines Automaten)

• Transition

  • Knoten im Petrie-Netz

  • aktive Elemte des Petrie-Netzes, sie stellen Übergänge zwischen den Zuständen dar und sind kurzzeitige Ereignisse (Entspricht einem Übergang im Automaten)

• Kanten

  • stellen Zusammenhänge zwischen Stellen (Zustand) und Transitionen (Zustandsübergänge) dar

  • Ein Zustand ist die Bedingung für einen Zustandsübergang, ein Zustand ist Folge eines Zustandsübergangs

Alternativ: alternative Zustandsübergänge sind von einem Zustand aus möglich/ führen zum selben Zustand

Parallel: mehrere Unabhängige Zustände sind die Folge eines Zustandsübergangs/ sind Bedingung für einen Zustandsübergang

• Einbringen von “Marken” modelliert dynamische Abläufe im Petri-Netz

• Stellen können Marken besitzen, Transitionen verändern durch Schalten die Markierung ihrer Vor- und Nach-Stellen

1. Schaltregel: Konzessionsregel

   • alle Vor-Stellen markiert/ alle Nach-Stellen nicht markiert -> Transition schaltbereit

2. Schaltregel: Markenflussregel

   • wenn T_i schaltet -> allen Vor-Stellen wird Marke entzogen, alle Nach-Stellen werden markiert

   • Schlingen können nicht schalten

Schaltbereit bedeutet nicht gleich Schalten

Modellierung mit Petrie-Netzen:

In einem Petrie-Netz können verschiedene Arten dynamischer Abläufe abgebildet werden/ reale Bedingungen abstrahiert werden

• Bedingungs- und Ereignisnetze

  • Zustände nur binär markiert

  • logische Abhängigkeiten und Ereignissteuerung/ eindeutige kausale Wikzusammenhänge

  • passive, aktive Komponenten

• Stellen-Transitionsnetze

  • allgemeiner als B-E-Netze (Erweiterung)

  • mehrere Marken pro Stelle möglich (Quantitäten)

  • Abbilden von Ressourcen (-verbrauch) und parallelen Prozessen möglich

• Stochastische-Petri-Netze

  • Berücksichtigung von Zufallsereignissen

• Zeitbewertete Petri-Netze

  • Berücksichtigung von Zeit

• Steuerungstechnisch integrierte Petri-Netze (SIPN)

  • Möglichkeit zur Ankopplung von Sensoren und Aktoren

Konflikte zeigen Ressourcen und Entscheidungsprobleme auf

Lösungsansätze:

• Prioritäten verteilen

• Randomisierung

• Erweiterte Petri-Netze (Stochastische Petri-Netze, Stellen-Transitions-Netze verwenden)

VL7 Folie 22ff

B-E-Netz:

• Bestehen aus Ereignissen (Zustandsübergänge), Bedingnugen (Zustände), Kanten und Marken

• Schaltfähig wenn:

  • alle Bedingungen im Vorbereich des Ereignisses markiert sind und

  • alle Bedingungen im Nachbereich des Ereignisses unmarkiert sind

  • Beim Schalten eines Ereignisses werden die Marken von allen Bedingungen im Vorbereich entfernt und alle Bedingungen im Nachbereich markiert -> daher müssen Vor-Bereich und Nach-Bereich disjunktiv sein

Stellen-Transitions-Netze:

• die Stelle hat:

  • eine unendlich große Kapazität für Marken

  • eine endlich große Kapazität für Marken

• Kanten können eine oder mehrere Marken transportieren

• Schaltfähig wenn:

  • alle Stellen im Vorbereich der Transition mindestens mit der Anzahl von Marken markiert sind, welche durch das Kantengewicht der Kante zwischen der Stelle und der Transition angegeben ist

  • Vor-Bereich und Nach-Bereich müssen nicht disjunktiv sein

• Anfangen mit Initialisierung, Anfangsmarkierung m_0

  • mi(b1,b2,b3,…)

• Prüfen schaltfähiger Transitionen

• Ermittlung neuer Markierungen

• Graphen für jede Markierung einmal durchspielen

• Neue Knoten im EG zeigen neuen Zustand im Petri-Netz

• Analyse Graph

  • Erreichbarkeit jedes Zustands

  • Deadlocks

  • Zyklen

• Lebendigkeit

  • Transitionen im Netz immer schaltbar -> mehrere ganze Durchläufe

• Reversibilität -> von jeder Markierung, die von Anfangsbedingung aus erreichbar ist, ist Anfangsbedingung auch wieder erreichbar

• tote Transitionen -> bei gegebener Anfangsbedingung wird diese Transition nie schalten

• Deadlock (Verklemmung) -> nach x Schaltvorgängen ergibt sich Systemzustand, bei dem keine Transition mehr schalten kann

• Livelock -> ausgehend von m_0 kann ein Zyklus erreicht werden in dem eine andere Transition trotz Lebendigkeit nie schalten wird

• Inzidenzenmatrix ist Petri-Netz in Matrixform

  • Zeile = Stelle in Petri-Netz

  • Spalte = Transition in Petri-Netz

• Matrix ergibt sich aus C=C(+)+C(-)

  • C(+) -> Marken werden an Stelle hinzugefügt, dann Eintrag in Matrix =1, ansonsten =0

  • C(-) -> Marken werden an Stelle abgezogen, dann Eintrag in Matrix =-1, ansonsten =0

• Invarianten

  • Transitionsinvarianten -> beschreiben Zyklisches Verhalten im Petri-Netz, ob gewollt oder ungewollt Entscheidet der Anwender

    • Menge von Transitionen in einem Petri-Netz, für die gilt: Schalten diese Transitionen jeweils ein mal, dann liegt hinterher die gleiche Markierung wie zu Beginn vor

    • T‐Invarianten lassen sich mit Hilfe der Inzidenzmatrix finden: Die Summe der Spalten in C, die zur T‐Invariante gehören, ergibt den Nullvektor

  • Stelleninvariante -> beschreiben Bewahrung von Marken (Ressourcen, Informationen) im Petri-Netz

    • Menge von Stellen in einem Petri‐Netz, für die gilt: Die Summe der Marken auf diesen Stellen ist konstant

    • S‐Invarianten lassen sich mit Hilfe der Inzidenzmatrix finden: Die Summe der Zeilen in C, die zur S‐Invariante gehören, ergibt den Nullvektor

Erweitern klassische Petri-Netze um Wahrscheinlichkeiten und zeitliche Verteilungen, um Systeme mit zufälligen Ereignissen und unsicherem Verhalten zu modellieren

Eigenschaften:

• Wahrscheinlichkeit Transition

• Zeitverzögerung an Stellen

• Prioritäten

• Schaltkonflikte + Lösungen

• Markierung + Verteilung nach definierten stochastischen Regel