Was ist ein ereignisdiskretes System?
Ein ereignisdiskretes System ist ein dynamisches System, das durch eine Abfolge diskreter Ereignisse gesteuert wird. Zustandsänderungen treten nur zu bestimmten Zeitpunkten auf, die durch diese Ereignisse ausgelöst werden.
Erläutern Sie die Begriffe „Zustand“ und „Zustandsübergang“ anhand eines selbstgewählten Beispiels aus Ihrem Alltag.
Beispiel: Ampelschaltung
Zustand: Die Ampel zeigt rot, gelb oder grün.
Zustandsübergang: Der Wechsel von rot auf grün, von grün auf gelb oder von gelb auf rot, der durch das zeitgesteuerte Ereignis „Ampelzyklus“ ausgelöst wird.
Was sind die Ziele beim Steuerungsentwurf, und wie können Modelle beim Erreichen dieser Ziele helfen?
Ziele: Sicherstellung der Funktionsfähigkeit, Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit der Steuerung.
Modelle helfen dabei, komplexe Systeme zu vereinfachen, zu analysieren und zu simulieren, um Fehler zu vermeiden und Optimierungen durchzuführen.
Erläutern Sie die Unterschiede zwischen kontinuierlichen Prozessen, Chargenprozessen und Stückprozessen. Nehmen Sie dabei Bezug auf Beispiele aus der Herstellung von Stahlblech.
Kontinuierliche Prozesse: Stahlblech wird kontinuierlich durch Walzen erzeugt.
Chargenprozesse: Stahlblech wird in definierten Mengen (Chargen) geschmolzen und verarbeitet.
Stückprozesse: Einzelne Stahlbleche werden individuell zugeschnitten und weiterverarbeitet.
Was sind die Gemeinsamkeiten von Fertigungs-, Montage- und Verpackungsprozessen aus automatisierungstechnischer Sicht?
Alle Prozesse erfordern präzise Steuerungen, Überwachungen und Koordination verschiedener Maschinen und Anlagen. Automatisierungstechniken wie Sensoren und Aktoren spielen eine zentrale Rolle.
Was versteht man unter der „Automatisierungspyramide“? Worin unterscheiden sich die Ebenen dieser Pyramide?
Die Automatisierungspyramide ist ein hierarchisches Modell, das die verschiedenen Ebenen der Automatisierung in einem Unternehmen darstellt:
Unternehmensebene: ERP-Systeme
Betriebsleitebene: MES-Systeme
Prozessleitebene: SCADA-Systeme
Steuerungsebene: SPS-Systeme
Feldebene: Sensoren und Aktoren
Welches sind die wichtigsten sensorischen Aufgaben in der Fertigungs-Automatisierung?
Positionsbestimmung, Objekterkennung, Qualitätskontrolle, Prozessüberwachung und Sicherheitsüberwachung.
Mit welchen Verfahren kann man die Anwesenheit eines Objekts erkennen? Welche Vor- und Nachteile haben die Verfahren jeweils?
Verfahren: Induktive Sensoren, kapazitive Sensoren, optische Sensoren.
Induktive Sensoren: Vorteile – robust, zuverlässig; Nachteile – nur für metallische Objekte.
Kapazitive Sensoren: Vorteile – erkennt verschiedene Materialien; Nachteile – empfindlich gegenüber Feuchtigkeit.
Optische Sensoren: Vorteile – hohe Genauigkeit; Nachteile – anfällig für Verschmutzung.
Welche Möglichkeiten gibt es zur Identifikation von Objekten in einem Logistiksystem?
Barcodes, RFID-Tags, QR-Codes.
Was ist der Vorteil eines absoluten Lagegebers gegenüber einem inkrementellen?
Absoluter Lagegeber: Kann die genaue Position nach einem Stromausfall oder Reset wiedergeben.
Inkrementeller Lagegeber: Muss nach einem Stromausfall neu referenziert werden.
Welche Vorteile haben drahtlose Sensoren? Wie kann man sie realisieren?
Vorteile: Flexibilität, einfache Installation, weniger Verkabelung.
Realisierung: Nutzung von Funktechnologien wie Bluetooth, Zigbee oder WLAN.
Wie erstellt man ein Sicherheitskonzept für eine Maschine?
Durchführung einer Risikobeurteilung, Identifizierung von Gefährdungen, Festlegung von Schutzmaßnahmen, Implementierung von Sicherheitsfunktionen, Überprüfung und Validierung des Konzepts.
Warum ist es hilfreich, wenn für eine Maschine, die sie in der Produktion nutzen wollen, eine C-Norm existiert?
Eine C-Norm bietet spezifische Richtlinien und Sicherheitsanforderungen für bestimmte Maschinenarten, was die Umsetzung von Sicherheitsmaßnahmen erleichtert und die Einhaltung gesetzlicher Vorgaben sicherstellt.
Wie läuft eine Risikobetrachtung ab? (Erläuterung anhand eines gegebenen Beispiels).
Identifikation der Gefährdungen, Bewertung der Risiken (Schadensausmaß und Eintrittswahrscheinlichkeit), Festlegung und Implementierung von Schutzmaßnahmen, Überprüfung der Wirksamkeit der Maßnahmen.
Welche Sensoren sind aus Sicherheitsgesichtspunkten wichtig? Wie werden sie dimensioniert?
Sicherheits-Lichtvorhänge, Not-Aus-Schalter, Türverriegelungen. Dimensionierung erfolgt nach den Anforderungen der jeweiligen Anwendung und Sicherheitsnormen.
Wie legt man das erforderliche Sicherheitsniveau nach SIL (EN IEC 62061) fest?
Analyse der möglichen Risiken und Gefährdungen, Bewertung der Schwere und Häufigkeit von Unfällen, Festlegung des erforderlichen Sicherheitsintegritätslevels (SIL) basierend auf dieser Analyse.
Welche Gefährdungen können z.B. von einem Fahrerlosen Transportsystem ausgehen?
Kollisionen mit Personen oder Objekten, mechanische Gefährdungen durch bewegliche Teile, elektrische Gefährdungen.
Erläutern Sie den Begriff Not-Aus-Konzept.
Ein Not-Aus-Konzept umfasst alle Maßnahmen und Vorrichtungen, die eine Maschine oder Anlage in einen sicheren Zustand versetzen, um Gefahren für Personen und Schäden an der Maschine zu vermeiden.
Was ist besser für die Risikominderung als eine „technische Schutzmaßnahme“? Was kann man tun, wenn keine „technische Schutzmaßnahme“ denkbar oder möglich ist?
Besser ist das sichere Gestalten von Maschinen und Prozessen. Wenn technische Schutzmaßnahmen nicht möglich sind, können organisatorische Maßnahmen und persönliche Schutzausrüstungen eingesetzt werden.
Was ist bei der Erstellung einer Sicherheitsfunktion in Software zu beachten?
Sicherstellung der Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz, Verwendung von zertifizierten Softwarekomponenten, Durchführung von Tests und Validierungen.
Mit welchen Aktoren lassen sich lineare Bewegungen erzeugen? Welchen Aktor würden Sie vorschlagen für das Ausschleusen von Paketen? Für das Heben einer Stanze?
Lineare Bewegungen: Pneumatikzylinder, Hydraulikzylinder, Linearmotoren.
Ausschleusen von Paketen: Pneumatikzylinder.
Heben einer Stanze: Hydraulikzylinder.
Erläutern Sie die Funktionsweise eines hebelbetätigten 3/2-Wegeventils anhand einer Skizze. Kann man damit einen doppelt wirkenden Zylinder ansteuern?
Ein hebelbetätigtes 3/2-Wegeventil steuert den Luftstrom in einem Pneumatiksystem und hat drei Anschlüsse und zwei Schaltstellungen. Es kann nicht direkt einen doppelt wirkenden Zylinder ansteuern, da dieser ein 5/2-Wegeventil benötigt.
Was ist der Vorteil einer speicherprogrammierten Steuerung gegenüber einer verbindungsprogrammierten?
Flexibilität, einfache Änderungen und Erweiterungen, bessere Diagnosemöglichkeiten.
Welche Ziele hat die IEC 61131?
Standardisierung der Programmiersprachen und Schnittstellen für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Erleichterung der Programmierung und Integration von SPS-Systemen.
Wie geht man klassisch und wie nach der IEC 61131 bei der Steuerungsprogrammierung vor?
Klassisch: Verwendung von herstellerspezifischen Programmiersprachen und Methoden.
IEC 61131: Verwendung standardisierter Programmiersprachen wie KOP, FUP, AWL, ST und AS.
Was unterscheidet eine Ablaufsteuerung von einer Verknüpfungssteuerung? Weshalb sind für eine Ablaufsteuerung die Programmiersprachen Kontaktplan und Funktionsbausteindiagramm weniger geeignet?
Ablaufsteuerung: Steuert sequenzielle Abläufe. Verknüpfungssteuerung: Steuert logische Verknüpfungen.
Kontaktplan und Funktionsbausteindiagramm sind weniger geeignet für die Darstellung komplexer Sequenzen.
Mit welcher SPS-Programmiersprache kann man Ablaufsteuerungen am übersichtlichsten programmieren? Warum? Geben Sie ein Beispiel.
Am übersichtlichsten mit der Ablaufsprache (AS), da sie speziell für die Darstellung von Sequenzen und Zustandsautomaten entwickelt wurde. Beispiel: Steuerung einer Ampelanlage.
Was sind die Sprachelemente der Ablaufsprache?
Schritte, Übergänge, Aktionen, Verzweigungen.
Gegeben ist das Schema eines Prozesses, welcher gesteuert werden soll.
(a) Welche (binären) Aktuator-Rückmeldungen können für den Steuerungsalgorithmus verwendet werden?
Endlagenschalter, Sensoren für Positionsbestimmung.
(b) Welche (binären) Prozess-Rückmeldungen können für den Steuerungsalgorithmus verwendet werden?
Sensoren für Materialfluss, Qualitätskontrollen.
(c) Welche (binären) Steuerungsbefehle kann der Steuerungsalgorithmus auf die Strecke geben?
Start, Stopp, Richtungswechsel.
(d) Welche (binären) Benutzer-Eingaben sind sinnvoll?
Start, Stopp, Not-Aus.
Realisieren Sie ein als Moore-Automat gegebenes Steuerungsprogramm in Ablaufsprache!
Ein Moore-Automat kann in der Ablaufsprache durch Schritte (Zustände) und Übergänge (Bedingungen) realisiert werden, wobei jede Zustandsänderung eine Aktion auslöst.
Wie kann man Alternativverzweigungen und Parallelverzweigungen in Ablaufsprache realisieren?
Alternativverzweigungen: Bedingungen definieren, die zu unterschiedlichen Zuständen führen.
Parallelverzweigungen: Mehrere Zustände parallel ablaufen lassen und synchronisieren.
Welche Bedeutung haben die Qualifier in Ablaufsprache?
Qualifier spezifizieren die Art und Weise, wie Aktionen innerhalb eines Schritts ausgeführt werden (z.B. kontinuierlich, bei Eintritt, bei Austritt).
Was sind die Elemente eines Petri-Netzes? Modellieren Sie damit einen Ablauf mit Alternativ- und Parallel-Verzweigungen.
Elemente: Stellen, Transitionen, Kanten, Marken.
Modell: Stellen repräsentieren Zustände, Transitionen repräsentieren Ereignisse, Kanten verbinden Stellen und Transitionen.
Wie kommt Dynamik in Petri-Netze?
Dynamik entsteht durch das Schalten von Transitionen, das die Marken von einer Stelle zur nächsten bewegt.
Welche Arten von Petri-Netzen kennen Sie, und für welche Fragestellungen sind diese jeweils besonders geeignet?
Stellen-Transitions-Netze: Allgemeine Prozessmodellierung.
Färbige Petri-Netze: Modellierung von Systemen mit verschiedenen Objekttypen.
Zeitbehaftete Petri-Netze: Modellierung von zeitabhängigen Prozessen.
Entwerfen Sie ein Petri-Netz, das drei nebenläufige Abläufe so synchronisiert, dass
(a) Ablauf A an einer Stelle darauf warten muss, eine Freigabe von B zu bekommen, und eine Bestätigung an B versendet,
(b) Ablauf B an einer Stelle Ablauf C eine Freigabe sendet, ohne auf eine Bestätigung zu warten, und erläutern Sie, welche Abläufe möglich sind.
Lösung: Petri-Netz mit entsprechenden Stellen und Transitionen für Freigabe und Bestätigung modellieren.
Was unterscheidet die 1. und 2. Schaltregel von B-E-Netzen von den Schaltregeln von Stellen-Transitions-Netzen?
B-E-Netze (Bedingungs-Ereignis-Netze) haben spezifische Regeln für die Aktivierung von Transitionen, die von Stellen-Transitions-Netzen abweichen.
Welche Bedeutung haben Test- und Inhibitorkanten?
Testkanten prüfen das Vorhandensein von Marken, ohne sie zu verbrauchen.
Inhibitorkanten verhindern das Schalten einer Transition, wenn eine Marke in der verbundenen Stelle vorhanden ist.
Was ist der Hauptunterschied zwischen Automaten und Petri-Netzen?
Automaten modellieren Sequenzen von Zuständen und Übergängen.
Petri-Netze modellieren neben den Zustandssequenzen auch die Parallelität und Synchronisation von Prozessen.
Wie stellt man für ein gegebenes Petri-Netz einen Erreichbarkeitsgraphen auf?
Indem man alle möglichen Zustandskombinationen (Markierungen) und die möglichen Transitionen zwischen diesen Zuständen identifiziert.
Was für Informationen lassen sich aus dem Erreichbarkeitsgraphen gewinnen? Was bedeuten diese jeweils für ein gesteuertes System?
Informationen: Erreichbarkeit von Zuständen, mögliche Deadlocks, alternative Abläufe.
Bedeutung: Analyse der Zuverlässigkeit und Effizienz des gesteuerten Systems.
Welche Informationen lassen sich aus der Inzidenzmatrix gewinnen? Welche Bedeutung hat z.B. eine Transitionsinvariante?
Inzidenzmatrix: Beziehungsstruktur zwischen Stellen und Transitionen.
Transitionsinvariante: Beschreibt eine Folge von Transitionen, die das System in einen bestimmten Zustand zurückführen kann.
Was ist die Grundidee von stochastischen Petri-Netzen? Welche Eigenschaften im Petri-Netz repräsentieren stochastische Kennzahlen?
Stochastische Petri-Netze integrieren Zufallselemente in die Modellierung.
Stochastische Kennzahlen: Wahrscheinlichkeiten, Verteilungsfunktionen.
Modellieren Sie ein gegebenes ereignisdiskretes System (aus Produktion oder Logistik) als Petri-Netz. Zeigen Sie damit auf, welche Konflikte im System bestehen. Lösen Sie diese Konflikte mit geeigneten Petri-Netz-Konstrukten.
Beispiel: Produktionslinie mit mehreren Maschinen.
Konflikte: Ressourcenengpässe, Synchronisationsprobleme.
Lösung: Verwendung von Prioritäten, zusätzliche Stellen und Transitionen zur Konfliktlösung.
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