Kurzfragen - Fay

Ein ereignisdiskretes System ändert seinen Zustand nur bei bestimmten, klar definierten Ereignissen. Zwischen den Ereignissen bleibt der Zustand konstant. Typisch für Steuerungen in der Automatisierung.

Zustand: Momentane Situation eines Systems.

Zustandsübergang: Wechsel von einem Zustand in einen anderen durch ein Ereignis.

Beispiel: Ampel

• Zustand 1: Ampel zeigt Rot

• Ereignis: Timer läuft ab

• Zustandsübergang: Wechsel zu Zustand 2

• Zustand 2: Ampel zeigt Grün

Ziele beim Steuerungsentwurf:

• Die Anlage soll fehlerfrei, sicher und wie geplant arbeiten.

• Alle Abläufe müssen richtig und zuverlässig funktionieren.

Nutzen von Modellen:

• Modelle helfen, den Ablauf übersichtlich darzustellen. – Sie ermöglichen Simulation und Prüfung, bevor die echte Anlage gebaut wird.

• So können Fehler früh erkannt und Kosten gespart werden.

Kontinuierlicher Prozess: läuft ohne Unterbrechung – Beispiel: Warmwalzen eines Stahlbands

Chargenprozess: Bearbeitung in abgeschlossenen Mengen – Beispiel: Schmelzen von Stahl in einem Ofen

Stückprozess: einzelnes Werkstück wird bearbeitet – Beispiel: Stanzen einzelner Blechteile

• alle bestehen aus wiederholbaren Abläufen

• es gibt feste Schrittfolgen

• sie nutzen Sensoren, Aktoren und Steuerungen

• Ziel: schnell, präzise und effizient automatisieren

• Erkennung der Anwesenheit von Werkstücken

• Positions- und Lageerkennung

• Erfassung von Prozessgrößen (z. B. Druck, Temperatur)

• Identifikation von Objekten (z. B. per Barcode/RFID)

1. Mechanisch (z. B. Grenztaster)

   • + Einfach, günstig

   • – Verschleiß, Kontakt nötig

2. Kapazitiv

   • + Erkennung fast aller Materialien, berührungslos

   • – Einstellaufwand, sensitiv auf Umgebungsbedingungen

3. Induktiv

   • + Robust, unempfindlich gegen Schmutz

   • – Nur für metallische Objekte

4. Optisch (z. B. Lichtschranke)

   • + Große Reichweite, präzise

   • – Störanfällig bei Staub/Lichtreflexion

5. Ultraschall

   • + Unabhängig vom Material

   • – Störanfällig bei Temperatur, Luftströmung

Einschränkungen:

• Material, Form, Größe und Umgebung beeinflussen die Sensorwahl.

• Auswahl erfolgt je nach Einsatzbedingungen (z. B. Schmutz, Abstand, Genauigkeit).

• Barcode: optisch lesbar, günstig, begrenzte Datenmenge

• 2D-Code (z. B. QR): mehr Infos auf kleiner Fläche

• RFID: kontaktlos, keine Sichtverbindung nötig, speicherfähig

• Farberkennung: einfache Unterscheidung

• Form-/Konturerkennung (z. B. durch Kamerasysteme): komplex, für flexible Systeme geeignet

Ein absoluter Lagegeber liefert jederzeit den genauen Positionswert, auch nach Stromausfall.

Ein inkrementeller Geber zählt nur Schritte – nach Neustart ist eine Referenzfahrt nötig.

Vorteil absoluter Geber: Kein Positionsverlust, sofort einsatzbereit.

Vorteile drahtloser Sensoren:

• Keine Verkabelung nötig → flexibler Einbau

• Wartungsarm, z. B. bei rotierenden Teilen

• Nachrüstbar in bestehenden Anlagen

Realisierung:

• Funktechnologien wie WLAN, Bluetooth, Zigbee

• Energieversorgung über Batterie, Energy Harvesting oder induktive Kopplung

Sicherheitskonzept – Schritte:

1. Risikobeurteilung (nach EN ISO 12100)

2. Risikominderung in drei Stufen:  a) Sicheres Design  b) Technische Schutzmaßnahmen  c) Benutzerinformation

3. Auswahl geeigneter Sicherheitsfunktionen (z. B. Not-Halt, Zweihandbedienung)

4. Validierung und Dokumentation (z. B. nach EN ISO 13849 oder IEC 62061)

→ Ziel: Minimierung aller relevanten Risiken über den gesamten Lebenszyklus der Maschine.

• Sie enthält konkrete Sicherheitsanforderungen für eine bestimmte Maschinenart

• Erleichtert die Risikobeurteilung

• Gibt klare Schutzmaßnahmen vor

• Hat Vorrang gegenüber A- und B-Normen

• Rechts- und Planungssicherheit für Hersteller und Betreiber

Wichtige Sicherheitssensoren:

• Lichtvorhänge / Lichtschranken

• Zweihandbedienung

• Sicherheits-Türschalter

• Schaltmatten / Schaltleisten

• Not-Halt-Taster

Dimensionierung:

• nach Gefahrenzone und Annäherungsgeschwindigkeit

• Berücksichtigung von Reaktionszeit der Steuerung

• Anforderungen aus Normen wie EN ISO 13855

• Kollision mit Personen oder Objekten

• Quetsch- und Scherstellen (z. B. an Ladung oder Antrieb)

• Fehlfunktionen der Steuerung oder Sensorik

• Herabfallende Lasten

• Unerwartetes Anfahren

• Stolpergefahr durch das Fahrzeug oder seine Umgebung

Gesamtheit aller Maßnahmen, mit denen eine Gefahr schnell und sicher gestoppt werden kann.

Ziel: Schutz von Mensch und Anlage im Notfall.

→ Beinhaltet Not-Aus-Taster, deren Positionierung, Wirkbereich und Verdrahtung

→ Muss sicher, zuverlässig und normgerecht (z. B. nach EN ISO 13850) sein.

Besser als technische Schutzmaßnahme:

→ Sicheres Gestalten der Maschine (z. B. durch konstruktive Änderungen)

Wenn keine Schutzmaßnahme möglich ist:

→ Benutzerinformation: Warnschilder, Signale, Schulungen, Betriebsanleitung

→ Ziel: Nutzer über Restrisiken informieren und sicheres Verhalten fördern

Reihenfolge der Risikominderung:

1. Gestaltung

2. Schutzmaßnahmen

3. Information (wenn 1 + 2 nicht reichen) → gemäß EN ISO 12100

• Verlässlichkeit der Umsetzung (keine unkontrollierten Zustände)

• Normenkonformität (z. B. EN ISO 13849, IEC 62061)

• Zuverlässige Sensor-/Aktoranbindung

• Fehlersichere Programmierung (z. B. redundante Prüfungen)

• Validierung und Test der Sicherheitsfunktion

• → Sicherheitsfunktionen müssen deterministisch, nachvollziehbar und prüfbar sein

Aktoren für lineare Bewegung:

• Pneumatikzylinder

• Hydraulikzylinder

• Elektrische Linearantriebe

• Mechanik (z. B. Spindel, Kurvenscheibe)

Vorschläge:

• Ausschleusen von Paketen: Pneumatikzylinder (schnell, günstig, einfach)

• Heben einer Stanze: Hydraulikzylinder (hohe Kraft, präzise regelbar)

Vorteil SPS (speicherprogrammierte Steuerung):

• Flexibel änderbar ohne Umbau

• Speicherbar und dokumentierbar

• Einfache Fehlerdiagnose

• Kompakte Verdrahtung

Im Gegensatz zur verbindungsprogrammierten Steuerung (z. B. mit Relais), bei der jede Änderung mechanischen Aufwand bedeutet.

• Standardisierung von SPS-Programmierung

• Einheitliche Programmiersprachen (z. B. FUP, KOP, ST, AWL, AS)

• Herstellerunabhängigkeit

• Wiederverwendbarkeit von Programmen

• Strukturierte, modulare Programmierung

Klassisch:

• Zuerst elektrotechnische Planung

• dann Verdrahtung und ggf. Programmierung

• wenig Struktur, kaum Wiederverwendung

IEC 61131-konform:

• modularer, strukturierter Aufbau

• Nutzung von Bausteinen (Funktionen, Funktionsbausteine, Programme)

• Trennung von Hardware und Logik

• wiederverwendbare, wartbare Programme → effizienter, übersichtlicher und standardisiert

Unterschiede:

• Verknüpfungssteuerung: Reagiert direkt auf Eingangssignale (z. B. „Wenn A & B, dann C“)

• Ablaufsteuerung: Führt Schritte nacheinander aus, gesteuert durch Transitionen

Warum KOP/FUP ungeeignet für Ablaufsteuerung?

• beide sind auf logische Verknüpfungen ausgelegt

• für zeitliche Abläufe, Zustände und Übergänge sind AS (Ablaufsprache) oder SFC (Sequential Function Chart) besser geeignet

• AS (Ablaufsprache) bzw. SFC (Sequential Function Chart)

• Warum?

  • zeigt Schritte und Übergänge grafisch

  • gut für zeitliche Abläufe, parallele/verzweigte Aktionen

  • intuitiv nachvollziehbar, strukturiert

• Beispiel:

• Schritte

• Transitionen

• Aktionen

Standard-Fall:

mit Alternativ-Verzweigung:

Alternativverzweigung:

• erste TRUE-Transition (von links) aktiviert einen Folgeschritt

• alle anderen bleiben inaktiv

Parallelverzweigung:

• eine Transition aktiviert alle Folgeschritte gleichzeitig

Grafische Darstellung siehe Bilder (SFC-Notation)

Steuern wann und wie lange eine Aktion im Schritt aktiv ist:

• N (normal): aktiv, solange Schritt aktiv

• S (set): Aktion wird gesetzt, bleibt aktiv

• R (reset): Aktion wird zurückgesetzt

• D (delayed): Aktion startet mit Verzögerung

• L (limited): Aktion ist nur zeitlich begrenzt aktiv

→ Dienen zur flexiblen Steuerung von Aktionen im Ablauf.

• ein Automat hat immer nur einen aktiven Zustand zur gleichen Zeit → gut für lineare Abläufe

• ein Petri-Netz kann mehrere Stellen gleichzeitig markieren → geeignet für parallele bzw. nebenläufige Abläufe

Petri-Netze sind flexibler bei komplexen Steuerungen mit gleichzeitig laufenden Teilprozessen.

Elemente eines Petri-Netzes:

• Stellen (Kreise): Zustände

• Transitionen (Balken): Ereignisse/Aktionen

• Marken (Punkte): zeigen aktive Zustände

• Kanten (Pfeile): verbinden Stellen und Transitionen

Parallelverzweigung:

Alternativverzweigung:

Die Dynamik entsteht durch das Schalten von Transitionen, wodurch sich die Verteilung der Marken (Markierung) im Netz ändert.

Ablauf:

1. Marken zeigen, welche Zustände (Stellen) gerade aktiv sind.

2. Eine Transition ist schaltbereit, wenn: alle Vor-Stellen eine Marke haben (Konzessionsregel)

3. Beim Schalten der Transition: Marken werden aus den Vor-Stellen entfernt; Marken werden in die Nach-Stellen eingefügt (Markenflussregel)

So entstehen Zustandsänderungen im System – das Petri-Netz „läuft“ Schritt für Schritt weiter.

Wichtig: Anders als beim Automaten können mehrere Stellen gleichzeitig aktiv sein → ideal für Nebenläufigkeit.

1. Bedingungs-Ereignis-Netze (B-E-Netze):

   • nur 0 oder 1 Marke pro Stelle

   • für logische Abläufe, z. B. Steuerung ohne Mengen

2. Stellen-Transitions-Netze:

   • Beliebig viele Marken möglich

   • für Materialflüsse, Zählvorgänge, Lagerprozesse

3. Zeitbewertete Petri-Netze:

   • Transitionen mit Zeitverzögerung

   • für zeitkritische Abläufe, Taktzeiten

4. Stochastische Petri-Netze:

   • Zufallsverhalten bei Schaltzeitpunkten

   • für Analyse von Unsicherheit, Warteschlangen, Fehlersimulation

5. SIPN (steuerungstechnisch interpretierte Netze):

   • mit direkter Anbindung an Sensoren/Aktoren

   • für reale Steuerungsanwendungen in der Automatisierung

→ Je nach Fragestellung wählt man die passende Petri-Netz-Variante.

Bedingungs-Ereignis-Netz (B-E-Netz):

1. Schaltregel: Transition darf nur schalten, wenn

   • alle Vor-Stellen genau 1 Marke haben

   • alle Nach-Stellen keine Marke haben

2. Schaltregel:  

   • Marken werden aus Vor-Stellen entfernt

   • Marken werden in Nach-Stellen eingefügt (jeweils 1) –

• nur 0 oder 1 Marke pro Stelle erlaubt – Einsatz: logische, zustandsbasierte Abläufe

Stellen-Transitions-Netz (ST-Netz):

• erlaubt beliebig viele Marken pro Stelle

• Schaltregeln basieren auf Anzahl der Marken und Kantengewichten

• beim Schalten:

  • so viele Marken wie im Gewicht gefordert werden abgezogen

  • entsprechend viele Marken zu den Nach-Stellen hinzugefügt

• Einsatz: Mengenflüsse, parallele Vorgänge, Ressourcenmodelle

Fazit: B-E-Netze sind binär und strikt, ST-Netze mengenbasiert und flexibler.

Testkante:

• prüft, ob eine Stelle mindestens eine Marke hat

• beim Schalten wird keine Marke entnommen

• dient zur Bedingungsprüfung, ohne den Zustand zu verändern

Inhibitorkante:

• prüft, ob eine Stelle keine Marke hat

• nur dann darf die Transition schalten

• dient zur Ausschlussbedingung

→ Beide erweitern die Ausdrucksstärke von Petri-Netzen für komplexe Logikbedingungen.

• Erreichbarkeit: Welche Zustände sind vom Start aus erreichbar? → Zeigt mögliche Systemzustände

• Lebendigkeit: Kann jede Transition irgendwann schalten? → System bleibt aktiv, keine Sackgassen

• Verklemmung (Deadlock): Kein weiterer Schritt möglich → System bleibt stehen → kritisch!

• Determinismus: Gibt es nur einen möglichen Folgezustand? → Vorhersagbares Verhalten

• Nebenläufigkeit: Mehrere Transitionen gleichzeitig schaltbar  → Parallele Abläufe möglich

→ Diese Infos helfen, Zuverlässigkeit und Verhalten des gesteuerten Systems zu bewerten.

Informationen aus der Inzidenzmatrix:

• zeigt, wie Transitionen Marken verändern

• Spalten: Transitionen, Zeilen: Stellen

• Eintrag = Markenänderung bei Schalten (+1: Marke wird hinzugefügt, –1: entfernt, 0: keine Änderung)

Transitionsinvariante:

• Vektor von Transitionen, der die Markierung nicht verändert

• bedeutet: Ablauf kehrt ins Ausgangssystem zurück → typisch für zyklische, stabile Prozesse (z. B. Taktabläufe)

Fazit: Mit der Inzidenzmatrix analysiert man das Verhalten, Gleichgewicht und Zyklizität von Petri-Netzen

Grundidee stochastischer Petri-Netze:

• Zufallsverhalten wird im Petri-Netz abgebildet

• Transitionen haben Wahrscheinlichkeiten oder Zufallszeiten → modelliert unsichere Abläufe, z. B. Wartezeiten, Ausfälle

Stochastische Kennzahlen im Netz:

• Feuerwahrscheinlichkeit einer Transition → modelliert Verteilwahrscheinlichkeit eines Ereignisses

• Verzögerungszeit (z. B. exponentialverteilt) → modelliert Bearbeitungs- oder Transportdauer

→ Einsatz: Leistungsbewertung, Durchsatzanalyse, Fehlermodelle in der Fertigung oder Logistik.