Automatisierungstechnik

selbsttätig: ohne menschl Eingreifen

Automat: selbsttätiges künstliches System

AUTOMATISIEREN: mit künstlichen Mitteln, selbsttätige Funktionen ermöglichen. Auch automatisch Entscheidungen bezogen auf die Situation vom Programm getroffen

Autom.- Grad: Anteil selbsttätiger Funktionen

Ein Prozessrechner steuert den Funktionsablauf in einer technischen Vorrichtung

Fertigungsautomatisierung: Teilefertigung, Montage

Automatisieren in der Verfahrenstechnik: Veränderung von Stoffen nach Art, Eigenschaft, usw

Gebäudeautomatisierung: Smart Home, Beleuchtung

= Maschinenbau + E- Technik

Sensortechnik, Maschinenbau, Pneumatische Steuerungen, IT, …, werden kombiniert um einen Automatisierten Ablauf zu verwirklichen.

durch + Infotechnik nimmt Automati.technik zu, weil es möglich ist immer komplexere Systeme zu automatisieren.

• Mehr Investitionen in Informationstechnik

• Jeder 4. Mitarbeiter in Entwicklung und Konstruktion ist heutzutage ein Softwareentwickler oder Automatisierungstechniker

• Arbeitsplätze in Sowtware wachsen stetig (schneller als bei mechanischer Entwicklung/ Konstruktion)

• Flexibilität (breiteres Variantenspektrum ohne Nennenswerten Umrüstungsaufwand)

• Kompatibilität verschiedener Automatisierungskomponenten (Standardisierung)

• Robustheit ( geringe Störanfälligkeit)

• niedrige Kosten (von Investition über Service und Wartung bis zu Erweiterungen der Anlage)

  
  

Pos:

• einfachere Handhabung

• Effizienz (billigere Produkte mit weniger Aufwand)

• Humanisierung von Arbeitsplätzen

• Energiesparung

  
  

Neg:

• Freisetzung von Arbeitsplätzen

• Umstrukturierung von Arbeitsplätzen ( Niedriger-/ Höherqualifizierung von Arbeitsplätzen)

• Verringerung von menschl. Kontakt

• Erhöhung von Stress (Mehrmaschinenbedienung)

Umso höher die Prozessnähe der Steuerungsebene ist, desto höher sind auch die Zeitanforderungen (Echtzeitanforderung bei E1 Prozessebene > E7 Fabriksteuerungsebene)

Datenemengen verhalten sich entgegengesetzt.

• Entwicklung und Konstruktion (CAD Programme(Computer aided Design))

• Arbeitsvorbereitung (CAP Programme (Computer aided Planing))

• Fertigungssteuerung (CAM (com. aided Manufacturing))

• Qualitätsdatenverarbeitung (CAQ (Quality Assurance))

• Echtzeitbetrieb: Reaktionsbedingung entsprechend der Prozessgeschwindigkeit

• Zuverlässigkeit: geringe Ausfallrate + geringe Ausfallzeit)

• Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse: Schutz gegen Wasser, Staub, etc

• Ersatzteilverfügbarkeit: Auch nach langer Zeit noch passende Ersatzteile schnell Verfügbar

Der Graph der Ausfallrate über die Zeit hat die Form einer Badewannenkurve, da am Anfang der

Lebensdauer vermehrt Produkte ausfallen, bedingt durch z.B. Montage-, Fertigungs- oder Werk-

stofffehler. In diesem Bereich fällt die Kurve exponentiell ab. Sind diese betroffenen Produkte aus-

gefallen, folgt ein Konstanten Bereich, indem die Ausfälle z.B. aufgrund von Bedienungsfehlern,

Schmutzpartikeln oder Wartungsfehler hervorgerufen wurde. Nimmt die Lebensdauer immer weiter

zu, altern die Materialien und ermüden irgendwann. Dann kommt es z.B. zum Dauerbruch oder zur

Grübchenbildung. In diesem Bereich nimmt die Kurve über die Zeit exponentiell zu.

Um eine Prioritätssteuerung verwenden zu können, ist es zunächst nötig den Rechenprozessen

Prioritäten zu zuordnen. Es wird immer der höher priorisierte Task zuerst ausgeführt. Ein Task mit

einer höheren Priorität kann einen Task mit niedrigerer Priorität unterbrechen.

→ Zu jedem Zeitpunkt läuft der ausführbare Task mit der höchsten Priorität ab.

→ Geeignete Wahl von Prioritäten führt zu geringeren Wartezeiten und zu einer Steigerung der Ef-

fizienz der Anlage.

Es werden folgende Zeiten verwendet:

• TB: Belegungszeit (Ist oder Soll)

• TO: organisatorische Ausfallzeit

• TAT: technische Ausfallzeit (Hersteller)

• TAP: technische Ausfallzeit (Anwender)

• TW: Wartungszeit

Der Anwender wird meistens die Zeit TB-IST bei der Berechnung heranziehen, weil ihn diese Zeit

interessiert. Dadurch wird der Gesamtnutzungsgrad kleiner (oder?) und er kann so Argumentieren,

dass die Anlage nicht so gut läuft wie versprochen. Allerdings wird der Hersteller immer die Sollbe-

legungszeit betrachten, da er keinen Einfluss auf die Zeit hat, in der die Maschine nicht läuft, ob-

wohl es geplant war. → Kunde und Hersteller müssen sich abstimmen welche Zeit zur Berechung

herangezogen wird.

Industrie 4.0: riesige Echtzeit Datenmengen, die über mehrere Ebenen sowohl Horizontal als auch vertikal transportiert werden müssen.

Cybersecurity: Die zuinehmende Vernetzung erhöht die Angriffsfläche

Ventil ohne Ruhestellung; (nur 2 Schaltstellungen, 2 Steueranschlüsse!); wird durch einen Impuls angesteuert und bleibt solange in dieser Stellung, bis es durch einen entgegengesetzten Impuls den Steuerkolben, nach Löschung des vorangegangenen Impuls, wieder umsteuert.

Deswegen auch Speicherventil.

Elektr. Komponenten : Ansteuerung der Ventile, Log Funktionen in der SPS

Pneumatische Komponenten: (/Arbeitsteil:) Unterbringung der Ventile und Aktoren(Pneumatisch)

F: Sicherungen/ Schutzeinrichtungen

K: Relais

M: Motoren

Q: Schütze

S: Schalter/ Taster

T: Transformator (Energiewandler)

X: Klemmleisten

Kontaktspiegel ist im Stromlaufplan unter jedem Schütz oder Relai zu finden

Zeigt alle Kontakte des Schützes oder Relais und deren Art (z.B Schließer

Zeigt wo im Stromlaufplan welcher Kontakt zu finden ist durch Anmerkung der Seite und Spalte

Seite 41 in Spalte 4

Betriebsmittlekennzeichnung:

=(Anlagenbezeichnung)+(Ortsangabe)-(Betriebsmittel)

Systematik: universelle Datenbank die mit Eigenschaften, Funktion, Ort, Baueinheiten, aus dieser Informationen zur Verarbeitung ausgelesen und zur Visualisierung zur Verfügung gestellt werden.

- Herstellung: Stücklisten, Montageplan, Stromlaufplan

- Inbetriebnahme: Ablaufplan

- Kunde: Betriebsanleitung, Wartungsanleitung, evtl. Stromlaufplan

//

Funktionalität ist gleich

SPS:

• ist robuster für Feldeinsatz geeignet

• Einfache Austauscharbeit

• Umfassende Serviceleistung und Ersatzteile

• Multitaskfähig

• Leicht wartbar

  
  

Einsatz Industrie

MC:

• Kostengünstig

• Programmierung in C, Assmebler, Python

• begrenzte Schnittstellen

• Nur Platine

• Nur ein Task

• Keine direkte Visualisierung und Bedienungsmöglichkeit

  
  

Einsatz in Consumerartikel, große Stückzahl, geringe Wartungs und Änderungsarbeiten

Hardware SPS:

herkömmliche SPS für Schaltschränke im Feldbereich

robust und echtzeitfähig

Außer dem Programmiergerät keine weitere Hardware

Slot SPS:

Steckkarte für Desktoprechner

Spannungsversorgung über Host-System

kommuniziert mit Host-System über ein Dual Ported Memory

Schnittstelle zw PC- und Feldbussen

voll funktionsfähige SPS

Soft SPS embedded mit Echtzeit-BS:

Echtzeit BS notwendig

Hat keine Maus, Tastatur,…

Läuft über Ethernet Schnittstelle zum Programmiersystem

auf PC mit Desktop BS:

Desktop BS muss um Echtzeit Kernel-Treiber des SPS Herstellers erweitert werden.

Feldbussschnittstelle wird über PC-Einsteckkarte realisiert

Visualisierung oft auf dem selben Rechner

Verwendung der PC Infrastruktur (Maus, Tastatur, Massenspeicher, Netzwerk,…)

Z.B. Fahrkartenautomat

PC mit Eingabemöglichkeit (z.B. Touchscreen)

Massenspeicher zur hinterlegung von Preisen, Karten, …

Visualisierung am Bildschirm

jedoch patchen des Windows BS für Echtzeitfähigkeit

digitaler Eingang mit Zählfunktion:

• relativ langsames zählen (durch Laden des Eingangs ins PEA nur eine Änderung pro Zyklus)

  
  

-> Zählerbaugruppe kann schneller Zählen

• Art der Topologie

• maximale Ausdehnung (Leitungslänge)

• Anschlusstechnik (Stecker)

• Übertragungsverfahren (Codierung der Bits)

• Übertragungsrate

• max Anzahl der Teilnehmer

• Leitungsart

• Hersteller

Stern-, Baum-, Ring-, Linientopologie

CSMA - Carrier Sense Multiple Access

• jeder Busteilnehmer hat Buszugriff ohne explizite Senderechtszuteilung

  • Teilnehmer prüft ob Bus frei ist (Carrier Sense)

  • wenn frei Sendeversuch

  • wenn Kollision -> Wiederholung des Sendeversuch

CSMA/CD (Collision Detected):

• Erkennung von Kollision durch Datenabgleich

• bei Kollision beenden beide Teilnehmer die Kommunikation

  -> nach teilnehmerspezifischer Wartezeit erneuter Sendeversuch

+ kurze Wartezeit bei neidriger Belastung (Latenz)

- Hohe Wartezeit im Hochlastbetrieb

CSMA/CA (Collision Avoidance)

• Vermeidung von Kollisionen durch Prioritätsregelung

  • Null hat höhere Prio (wg GND)

  • Nachrichten mit führenden Nullen höhere Prio

    
    

+gute Hochlasttauglichkeit

+geringe Verzögerung von hoch priorisierter Nachrichten

-Hohe Verzögerungen für die anderen Nachrichten

Rekonstruktion des Taktsignals:

• Alle Teilnehmer müssen gleichen Takt haben

• synchroner Takt wird aus Signal der Busleitung rekonstruiert

  • Keine Extra Taktleitung

    
    

-> Bussignal muss sich oft ändern dies wird erreicht durch:

• Verletzungs- und Ausgleichimpulse

• Manchester II -Codierung

  
  

Freiheit von Gleichanteil:

• Durch die Verwendung von zwei entgegengesetzten Signalen (+ und - Signale müssen sich aufheben) wird sichergestellt, dass die Information frei von Gleichanteilen ist

• Evtl Ausgleichsignale nötig um Gleichanteil bei Null zu halten

  -> Übertragung von Energie und Information auf derselben Leitung möglkich

  
  

Signalfrequenzen:

• Hohe Frequenzen und eckige Signalformen erzeugen hohe Störfrequenzen

• je nach Stärke der Abstrahlung

  -> Schirmung nötig (höhere Installationskosten- und Aufwand)

sin² Impulse statt Rechteck (Oberwellen beim Rechteck)

-> Lässt sich gut übertragen

-> Keine Schirmung nötig und kein Abschlusswiderstand

z.B. bei ASI Bussystemen (AS-Interface (Aktor-Sensor-Schnittstelle)

• Sensor-Aktor-Bus auf Prozessebene 1

• Busorganisation: Master-Slave- Verfahren mit zyklischem Polling

• Anschlusstechnik: Durchdringungstechnik

• sin² Impulse

• Energie und Datenübertragung auf einer Leitung

• Topologie frei wählbar

• Manchester Codierung

Sicherheitsmonitor hört der Bus-Kommunikation zu und filtert Datem sicherheitsrelevanter Teilnehmer (z.B. Not-Aus)

-> Diese Daten werden an speziellen Kontakten im Schaltschrank zur Verfügung gestellt

Vergleich:

Andere Bussysteme senden diese Daten an Master (SPS)

Nur Sicherheits SPS kann diese Daten verarbeiten

-> Teuer

• Punkt zu Punkt kommunikation (weil sterntopologie)

• Parameterdaten der Slaves im IO-Link Master gespeichert

• Pins sind umschaltbar zwischen Ein- und Ausgang (kommunikativer Betrieb- und schaltender Betrieb)

  • Einziges Bussystem mit dieser Fkt. (normal fixe Ein- und Ausgangskarten)

    -> hohe Flexibilität

Profibus DP (dezentrale periphärie)

• Auf Einzelsteuerungsebene

• Eine Steuerung (Master) kommuniziert mit ihren Slaves (dezentrale E/A Baugruppe)

Profibus PA (prozessautomation)

• In explosionsgefährdeten Bereichen

• Trennung der Bereiche durch Segmentkoppler

• Digitale Alternative zur klassisch analogen Verbindung

  
  

Profibus FMS(Fieldbus Message Specification

• Für einsatz in komplexen Bereichen gedacht

• durch DP verdrängt worden

• Token-Passing Verfahren:

  • nur Master mit Token darf sprechen

  • Token wird zyklisch weitergegeben

• Master-Master

  • mehrere Master hängen am selben Bus

• Master-Slave

  • Slave darf nach Anforderung mit Master kommunizieren

Ein Anwendungsprofil ist eine standatisierte Spezifikation, die beschreibt, wie bestimmte Geräteklassen das Feldbussystem nutzen

z.B. brauchen Antriebe Solldrehzahlen als Vorgabe

Profibus – DP:

- Netzwerktopologie: Bus, Baum Master muss jeden Slave einzeln ansprechen

- Datenübertragungsverfahren: Master – Slave Polling-Verfahren

- Jeder Teilnehmer hat eine feste Adresse

Interbus:

- Netzwerktopologie: Ring (erscheint aber als Baum) (Zug ^^)

- Master schickt ein Summenrahmentelegramm (einen „Zug“ an Informationen) los und jeder

Teilnehmer nimmt sich aus diesem „Zug“ seine Informationen heraus und arbeitet mit den

Infos. Es handelt sich um EIN Datentelegramm für ALLE Slaves

- Es muss keine Adresse eingerichtet werden, da diese über die Position im Ring fest vergeben

ist.

CAN:

- Netzwerktopologie: Linie /Bus

- Welcher Slave senden darf, hängt von der Busarbitriation (Identifier dominant/rezessiv) ab.

Wer das letzte dominante Bit hat, darf senden. Alle Slaves hören so gesehen immer zu

- Es muss keine Adressierung vorgenommen werden, da vom Master an alle Slaves gesendet

wird und die Auswahl, welcher Slave angesprochen wird, wird über Telegramm entschieden

Sieht aus wie Baum, da der Hin- und Rückleiter in einem Kabel geführt wird

Die TN fungieren dabei als Repeater

TCP/IP: “Normale” Applikation ; Standard Ethernet

• nicht echtzeitfähig; 100ms Zykluszeit

  
  

SRT(Real Time): Automations Anwendungen

• kommunikation mithilfe Prioritätsflags

• Echtzeitfähig; 10 ms Zykluszeit

  
  

IRT(isochrone Real Time): Echtzeit Anwendungen

• Kommunikation über Zeitschlitzverfahren

• Echtzeitfähig; 0,25-1,0 ms Zykluszeit

Profinet gehört zu Ethernetsystemen, die Switching Technology unterstützen

• Service Rechner wird an Switch angeschlossen

  • Über Port Mirroring wird gesamte Ethernet Kommunikation an den Service-Port gespiegelt

    
    

Service Rechner ohne IRT Chipsatz

kann Zeitschlitz Kommunikation nur Lesen aber nicht senden, da er die Zeitschlitze nicht trifft

EtherCAT ähnlich wie Interbus

• Ringförmiger Aufbau

• Master schickt Summenrahmentelegramm an alle Slaves

• Slaves verändern das Telegramm und bauen ihre Antwort ein

  
  

Zusätliche Verwendung von “On the Fly”

• Slaves schicken Telegramm schon weiter vor dem kompletten Empfangen

• Adressvergabe entfällt

• Echtzeitfähigkeit gewährleistet

  
  

Mittels Bus-Anschaltbaustein müssen TN das Telegramm aktiv verändern können.

Effizienz:

Ethercat > Profinet IRT > Powerlink

Powerlink: Master/Slave Verfahren

Profinet IRT : Zeitschlitzverfahren

Ethercat : “on the Fly”

• Not-Aus an mobilen Geräten schwierig

  • Gerät leer/ nicht eingesteckt: Not Aus ohne Fkt

    -> deutliche Warnsignale, geschützte Lagerung bei Ausgestecktem Gerät

    
    

• Anschalten der Maschine an uneinsichtigen Orten oder gar während der Bediener sich in der Maschine befindet

  -> Länge des Anschlusskabels; oder RFID-Chips(Gerät muss in der Nähe sein); Ortsüberwachung

OPC Client stellt Lese - und Schreibanforderungen an den OPC-Server

übermittlung dieser sind standartisiert (LAN) (Kommunikation zwischen Client und server)

OPC Server führt die Anforderungen aus und greift auf SPS zu

ab hier herrscht Herstellerspeziefische Kommunikation

Echtzeitdaten (Prozesswerte, Zustandsdaten)

Historische Daten (aufgezeichnete Prozessdaten (gespeichert))

Alarm- und Ereignisdaten

Meta Daten (beschreibende Daten(Info über Struktur, Adressbaumhierachie); Konfigurationsdaten)

Horizintal:

Vernetzung von Systemen innerhalb einer Steuerungsebene

Vertikal:

Vernetzung von Systemen zwischen zwei Steuerungsebenen

->typischer bei OPC

UPC UA basiert auf TCP/IP Kommunikation; kann auf Internet zugreifen

-> verwendet Web services -> alle Plattformen und Betriebsysteme sind unterstützt

ohne Einbußen des schnellen Zugriffes