Automatisierungstechnik

Methoden für die Überwachung und Steuerung kontinuierlicher und ereignisdiskreter Systeme

Jan Lunze

• Verlag: De Gruyter
• Jahr: 2016
• eBook-ISBN: 9783110465662
• Auflage: 4
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Elektrotechnik & Telekommunikation

Dieses Buch gibt eine breite Einführung in die Aufgaben und Methoden der Automatisierungstechnik und veranschaulicht diese an zahlreichen Anwendungsbeispielen. Die Palette der Themen reicht von der Modellbildung über die Vorhersage des zukünftigen Systemverhaltens, den Entwurf von Regelungen und Steuerungen und die Zustandsbeobachtung bis zur Prozessdiagnose.

Mit der gleichberechtigten Behandlung kontinuierlicher und ereignisdiskreter Systeme betritt das Buch Neuland. Es behandelt alle wichtigen Automatisierungsaufgaben für beide Systemklassen in weitgehender Analogie. Zahlreiche praktische Beispiele zeigen das breite Anwendungsfeld der Automatisierungstechnik. Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen geben Anregung für das selbstständige Erarbeiten des Stoffes.

Alle Kapitel schließen mit einem Ausblick auf weiterführende Themen und Literaturhinweisen. Die Zusammenstellung wichtiger englischer Fachbegriffe erleichtert den Einstieg in die Fachliteratur. Die vierte Auflage (2016) verbessert, ergänzt und erweitert die Darstellung der Methoden, die Beispiele und die Übungsaufgaben sowie die im Anhang angegebenen Lösungen. Sie enthält zusätzliche Beispiele und Übungsaufgaben, von denen einige mit dem Programmsystem MATLAB gelöst werden können, das heute in vielen Bachelorstudiengängeneingeführt wird. Außerdem werden die Querbezüge von den Methoden der Automatisierungstechnik zuMethoden der Informatik vertieft, insbesondere zu den im Lehrbuch "Ereignisdiskrete Systeme" (im Oldenbourg-Wissenschaftsverlag 2012 erschienen) des Autors erläuterten Methoden zur Modellierung und Analyse ereignisdiskreter Systeme.

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Ziele und Aufgaben der Automatisierungstechnik

Das Einführungskapitel veranschaulicht anhand von Beispielen aus verschiedenen Anwendungsfeldern die Ziele und die grundlegenden Aufgaben der Automatisierungstechnik und erläutert die unterschiedlichen Informationskopplungen zwischen dem zu automatisierenden System und der Automatisierungseinrichtung, die für die Lösung von Automatisierungsaufgaben typisch sind.

1.1Ziele der Automatisierungstechnik

Die Automatisierungstechnik beschäftigt sich mit der Überwachung und Steuerung technischer Systeme. Geräte und Anlagen sollen durch Automatisierungseinrichtungen so überwacht und gesteuert werden, dass sie ihre Funktionen weitgehend selbsttätig erfüllen und Sicherheitsanforderungen genügen. In Erweiterung dessen will man zukünftig sogar erreichen, dass automatisierte Systeme die aktuell zu erfüllenden Aufgaben selbstständig erkennen und daraus die auszuführenden Lösungsschritte ableiten, also autonom (ohne den Eingriff eines Menschen) arbeiten.

Es ist das Ziel der Automatisierungstechnik, Systeme so zu steuern, dass die automatisierten Systeme selbstständig ihre Funktion erfüllen.

Anschauliche Beispiele für autonom arbeitende Systeme sind Raumflugkörper, die ohne menschliche Hilfe Messaufgaben durchführen, ihre Position bestimmen und gegebenenfalls ihre Bewegung korrigieren. Fahrerlose Transportsysteme erkunden den Mars oder bewegen selbsttätig Werkstücke zu Fertigungseinrichtungen oder Wafer durch die Reinsträume der Schaltkreisherstellung. In medizinischen Labors werden Serien von Proben ohne Eingriff eines Menschen analysiert und in der Fahrzeugindustrie schweißen mehrere Roboter gemeinsam eine Karosserie. Auch im täglichen Leben ist die Automatisierungstechnik allgegenwärtig, wenn auch nicht immer ohne Weiteres zu erkennen. Fotoapparate, Waschmaschinen, Videorecorder und viele andere Geräte enthalten komplizierte Regelungen und Steuerungen, durch die sie ihre Aufgaben weitgehend selbstständig lösen. Selbst wenn im Folgenden allgemein von technischen Anlagen gesprochen wird, sind auch solche Geräte in die Betrachtungen eingeschlossen.

Die Bedeutung der Automatisierungstechnik kann man am besten dadurch verstehen, dass man sich Anlagen ohne Steuereinrichtungen vorstellt. Ein Personenaufzug ohne Steuerung steht und reagiert nicht auf Fahrtwünsche, eine Rolltreppe schaltet sich nicht selbsttätig ein und aus, Temperatur und Luftfeuchtigkeit großer Räume werden nicht selbsttätig der wechselnden Außentemperatur, der Sonneneinstrahlung und der sich verändernden Anzahl anwesender Personen angepasst. Die Fahrzeugtechnik wäre auf dem Stand von Mitte des letzten Jahrhunderts ohne Antiblockiersysteme, geregelten Katalysator, Servolenkung und Klimaanlage. Nicht bei allen Beispielen führt die Automatisierung zu einer vollständig autonomen Arbeitsweise, aber in jedem Fall sorgt die Automatisierungstechnik dafür, dass die Anlage wichtige Teilprozesse selbsttägig ausführt.

Die Automatisierung übernimmt in allen genannten Systemen Überwachungs- und Steuerungsaufgaben:

• Überwachen heißt, die wichtigsten Prozessgrößen zu messen und die Messwerte zu sammeln, auszuwerten und für das Bedienpersonal in zweckmäßiger Weise darzustellen. Die Auswertung umfasst auch die Verknüpfung der Informationen, die von unterschiedlichen Sensoren kommen. Mit Hilfe eines Modells können nicht messbare Größen berechnet und Fehler aufgedeckt werden.
• Steuern heißt, Prozesse zielgerichtet zu beeinflussen. Die von außen vorgebbaren Größen werden so gewählt, dass die in der Anlage ablaufenden Prozesse in einer gewünschten Folge aktiviert oder wichtige Prozessgrößen trotz des Einwirkens von Störungen auf vorgeschriebenen Werten gehalten werden. Der Begriff Steuerung in seiner allgemeinen Bedeutung umfasst sowohl kontinuierlich wirkende als auch diskret arbeitende Steuerungen und er kann sich auch auf Steuereingriffe des Bedienpersonals beziehen.

Vereinfacht ausgedrückt heißt das:

Automatisieren = Überwachen + Steuern.

Dieses Buch beschäftigt sich mit den Methoden, die man kennen und anwenden muss, um technische Systeme durch mathematische Modelle zu beschreiben, die wichtigsten Eigenschaften herauszufinden, Automatisierungsaufgabenmit Hilfe dieser Modelle zu lösen und das Verhalten des Gesamtsystems, das aus dem zu steuernden Prozess und der Automatisierungseinrichtungbesteht, zu analysieren und zu bewerten. Diese Methoden sind das wichtigste Know-how der Automatisierungstechniker.

Daneben sind für die Lösung automatisierungstechnischer Aufgaben auch Automatisierungsgeräte wie Sensoren, Stellglieder (Aktoren), Rechner für die Echtzeitdatenverarbeitung und Programmmodule für die Realisierung einzelner Komponenten einer Automatisierungseinrichtung notwendig. Auf diese gerätetechnischen Fragen wird hier nur am Rande eingegangen.

Mechanisierung und Automatisierung. Wie der Name Automatisierungstechnik sagt, sollen die in einem Gerät oder einer Anlage ablaufenden Prozesse automatisch, also ohne Eingriff des Menschen, ablaufen. Häufig denkt man dabei an Tätigkeiten, die früher der Mensch manuell ausführen musste und die jetzt von Maschinen übernommen werden. Dabei muss man jedoch zwischen mechanisierten und automatisierten Prozessen unterscheiden. Um Tätigkeiten zu automatisieren, müssen zuerst Konstruktionen und Verfahren entworfen und realisiert werden, die die manuellen Tätigkeiten ersetzen. Dieser Schritt wird Mechanisierung genannt. Die entstehenden Maschinen ersetzen die körperliche Tätigkeit durch eine maschinelle, wobei nach einem Kommando der bisher durch Menschen erledigte Prozess selbsttätig abläuft. Die Steuereingriffe, die die Teilprozesse zum richtigen Zeitpunkt in Gang setzen, kommen bei mechanisierten Systemen allerdings weiterhin vom Menschen.

Darauf aufbauend sorgt die Automatisierung für die selbsttätige Steuerung von Anlagen, die die mechanisierten Teilprozesse aktiviert und überwacht. Damit wird die zur Steuerung notwendige geistige Tätigkeit einem technischen Gerät übertragen. Aus dieser Sicht besteht die Automatisierung also in der Schaffung und Anwendung von technischen Mitteln, mit deren Hilfe mechanisierte Operationen nach vorgegebenen Programmen selbsttätig gesteuert werden.

Beispiel 1.1 Waschautomat

Die Schritte der Mechanisierung und der Automatisierung werden offensichtlich, wenn man das Wäschewaschen per Hand durch eine Waschmaschine erleichtern will. Dass sich die Trommel mit der Wäsche dreht, Wasser in die Waschmaschine hineingelassen und wieder abgepumpt wird und das Wasser gegebenenfalls auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt wird, ist das Ergebnis einer Mechanisierung. Frühe Formen von Waschmaschinen, die damals bereits mit der Bezeichnung „Waschautomat“ verkauft wurden, führten diese mechanisierten Prozesse durch, aber die Prozesse mussten von der Hausfrau an-und abgeschaltet werden.

Dieses An- und Abschalten übernimmt bei modernen Waschautomaten die eingebaute Automatisierungseinrichtung. Sie sorgt dafür, dass ein richtiger „Waschautomat“ die gewünschten Prozesse in der programmierten Reihenfolge und mit der gewünschten Dauer ausführt. Für Wäsche unterschiedlicher Art kann man zwischen verschiedenen Waschprogrammen wählen. Dabei wird nicht die Mechanisierung des Waschprozesses verändert, sondern das Automatisierungsziel und folglich die Steuerung der mechanisierten Teilprozesse.

Die Automatisierung erfordert i. Allg. den Einbau neuer Sensoren, mit denen der Fortschritt der aktivierten Prozesse gemessen wird. Beim Waschautomat muss beispielsweise mit Hilfe eines Temperatursensors festgestellt werden, wann die Waschlauge die richtige Temperatur besitzt, oder mit einer Uhr gemessen werden, wie lange der Waschprozess bereits andauert. □

Aufgabe 1.1 Automatische Automobile

Die Automatisierung von Kraftfahrzeugen schreitet schnell voran. Überlegen Sie sich für die im Folgenden aufgeführten Prozesse, was gemessen werden muss und auf welche Stellgrößen eine Automatisierungseinrichtung eingreifen muss. Welche Schritte der Mechanisierung sind notwendig, damit die Automatisierungsaufgabe lösbar wird?

1.Automatisches Anfahren am Berg: Jeder Fahrschüler weiß, wie schwierig es für Anfänger ist, mit einem Fahrzeug am Berg anzufahren, ohne zurückzurollen. Kupplung, Gaspedal und Handbremse müssen dabei in genau abgestimmter Weise betätigt werden.

Welche Schritte der Mechanisierung und der Automatisierung muss man ausführen, damit das Fahrzeug automatisch am Berg anfahren kann, so dass der Fahrer wie bei modernen Fahrzeugen nur noch das Gaspedal zu betätigen braucht? Kann man ein Fahrzeug mit Handbremse automatisch anfahren? Welche zusätzlichen Sensoren sind notwendig?

2.Automatische Kofferraumklappe: Zur Komfortverbesserung soll die Kofferraumklappe automatisch abgeschlossen werden, wenn die Fahrgäste eingestiegen sind und das Fahrzeug anfährt. Welche Mechanisierungs- und Automatisierungsschritte sind hierfür durchzuführen?

3.Automatisches Einparken: Rückwärtseinparken ist Übungssache, aber es gibt bei modernen Fahrzeugen Einparkhilfen, bei denen der Fahrer nur noch Gas geben muss. Welche Schritte der Mechanisierung und der Automatisierung waren erforderlich, bevor die ersten Systeme serienreif waren?

4.Automatisches Parkhaus: Es ist heute noch ein Traum, dass der Fahrer sein Fahrzeug am Eingang des Parkhauses abgeben kann und das Fahrzeug selbstständig zu einem freien Platz fährt. Nach einem Anruf vom Handy soll das Fahrzeug allein zur Ausfahrt zurückkommen. Welche Mechanisierungs- und Automatisierungsschritte sind hierfür notwendig? Welche Informationen muss das Fahrzeug vom Parkhaus bekommen, bevor es losfahren kann? □

1.2Anwendungsbeispiele

1.2.1Prozessautomatisierung

Die Realisierung verfahrenstechnischer Prozesse beinhaltet vielfältige Automatisierungsaufgaben, so dass für dieses Gebiet ein eigener Begriff geprägt wurde: Prozessautomatisierung. Die Palette der zu lösenden ...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Front Matter
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• Verzeichnis der Anwendungsbeispiele
• Hinweise zum Gebrauch des Buches
• 1 Ziele und Aufgaben der Automatisierungstechnik
• 2 Grundlegende Eigenschaften dynamischer Systeme
• 3 Beschreibung kontinuierlicher Systeme
• 4 Verhalten kontinuierlicher Systeme
• 5 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit
• 6 Stabilität
• 7 Einschleifige Regelkreise
• 8 Einstellregeln für PID-Regler
• 9 Zustandsbeobachtung kontinuierlicher Systeme
• 10 Diagnose kontinuierlicher Systeme
• 11 Beschreibung diskreter Systeme
• 12 Verhalten diskreter Systeme
• 13 Steuerung diskreter Systeme
• 14 Entwurf diskreter Steuerungen
• 15 Zustandsbeobachtung diskreter Systeme
• 16 Diagnose diskreter Systeme
• 17 Ausblick: Überwachung und Steuerung hybrider dynamischer Systeme
• Literaturverzeichnis
• Anhang 1: Lösung der Übungsaufgaben
• Anhang 2: Fachwörter deutsch – englisch
• Sachwortverzeichnis
• Fußnoten