Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten1 R.3–2011 - BL Semesterplan.

Präsentation zum Thema: "Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten1 R.3–2011 - BL Semesterplan."—  Präsentation transkript:

1 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten1 R.3–2011 - BL Semesterplan

2 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten2 R.3–2011 - BL Modulüberblick Kompetenz Steuerungsaufgabe aus einer Vorgabe identifizieren, analysieren und als offene Steuerung oder als Regelkreis aufbauen. Handlungsziele 1Einen zu steuernden Prozess analysieren, die erforderlichen Elemente für die Steuerung bestimmen und die Funktionen der Steuerung in einer Prinzipskizze dokumentieren. 2System auf der Grundlage der Prinzipskizze in Form einer Schaltung entwerfen oder als Simulation realisieren. 3Geeignete Elemente für die Steuerung inkl. Aktoren und Sensoren auswählen und zu einem System zusammenbauen. 4Die Testfälle aus den Anforderungen ableiten, die Funktionen des Systems testen und die identifizierten Fehler korrigieren. 5Das Schema gemäss den Testresultaten aktualisieren und das System dokumentieren.

3 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten3 R.3–2011 - BL Sachstruktur

4 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten4 R.3–2011 - BL Hauptthemen - Organisation ThemaInhalt Automation gestern und heute  Geschichtlicher Rückblick  Computer Integrated Manufacturing (CIM) Grundprinzip der Automatisierung  EVA-Prinzip (Sensoren, Prozessoren, Aktoren)  Mikroprozessor Aufbau und Programmierung Grundlagen Steuern & Regeln  Unterscheidung  Normierung  Steuern und Regeln im Alltag Projekt Verkehrsregelung 1)  Analyse einer Ampelsteuerung  Umsetzen einer Ampelsteuerung 1)  In einer ersten Phase wird eine einfache Ampelsteuerung analysiert und umgesetzt. Dabei wird die StateEvent-Technologie und die RoboPro-Umgebung eingeführt.  In einer zweiten Phase wird eine komplexere Verkehrssituation umgesetzt.

5 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten5 R.3–2011 - BL Automation gestern und heute Antikes Griechenland Der Begriff der Automatisierung geht zurück auf das antike Griechenland. „Wenn jedes Werkzeug auf Geheiß, oder auch vorausahnend, das ihm zukommende Werk verrichten könnte, wie des Dädalus Kunstwerke sich von selbst bewegten oder die Dreifüße des Hephästos aus eignem Antrieb an die heilige Arbeit gingen, wenn so die Weberschiffe von selbst webten, so bedürfte es weder für den Werkmeister der Gehilfen noch für die Herren der Sklaven.“ Aus dem Werk Politik (Aristoteles, 384 v. Chr.)

6 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten6 R.3–2011 - BL Automation gestern und heute 1. Jahrhundert Heron von Alexandria war ein griechischer Mathematiker und Mechaniker des ersten Jahrhunderts nach Christus. Zu Herons Erfindungen und Vorrichtungen zählen Kriegsmaschinen, Türöffner, Messinstrumente, eine windbetriebene Orgel, ein Weihwasserautomat, Theatervorrichtungen, der so genannte Heronsbrunnen und die Aeolipile.

7 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten7 R.3–2011 - BL Automation gestern und heute 18. Jahrhundert Dampfmaschine Die erste verwendbare Dampfmaschine wurde 1712 von Thomas Newcomen konstruiert und diente zum Abpumpen des Wassers in einem Bergwerk. Diese so genannte atmosphärische Dampfmaschine erzeugte durch Einspritzen von Wasser in einen mit Dampf gefüllten Zylinder einen Unterdruck gegenüber der Atmosphäre

8 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten8 R.3–2011 - BL Automation gestern und heute 19. Jahrhundert Elektrizität Nachdem André Ampère, Georg Ohm und Michael Faraday die physikalischen Grundlagen für die moderne Elektrotechnik geschaffen haben, ist die Einführung der Elektrizität in den menschlichen Alltag zum Greifen Nahe. Mit dem "Stromkrieg" zwischen Thomas Alva Edison und George Westinghouse beginnt ein neues Zeitalter.

9 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten9 R.3–2011 - BL Automation gestern und heute 20. Jahrhundert (Mikro-) Elektronik Mit der Elektronenröhre wurden Erfindungen wie Rundfunk, Fernsehen und Radar möglich. Transistoren können wie Röhren als Verstärker, steuerbare Schalter oder als Oszillator eingesetzt. Integrierten Schaltkreise bestanden anfangs lediglich aus bis zu wenigen Dutzend Transistoren. Integrierte Schaltkreise bilden heute die Grundlage jeglicher komplexer Elektronik.

10 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten10 R.3–2011 - BL Automation gestern und heute 2010 Internet Fast jeder vierte Mensch ist weltweit online. Das Internet ist das Wohn- zimmer einer immer grösseren Familie.

11 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten11 R.3–2011 - BL Automation gestern und heute heute Information – Automatisierung automatisieren Gegenstand der Automatisierung ist die selbsttätige Informationsge- winnung und Informationsverarbeitung durch Rechner zur gezielten Beeinflussung (nicht nur) technischer Systeme und Prozesse.

12 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten12 R.3–2011 - BL Grundprinzip der Automation Definition Automatisierungstechnik „Unter Automatisierungstechnik versteht man nach DIN 19233 das Einsetzen technischer Mittel, um einen Vorgang selbstständig ablaufen zu lassen. Einen grossen Anteil an der Automatisierungstechnik eines Prozesses nimmt die Steuerungs- und Regelungstechnik ein. Produktionsprozesse werden hierbei so konzipiert, dass mechanische, elektrische, pneumatische oder hydraulische Einheiten selbstständig – häufig mit Hilfe von Computern – arbeiten können.“

13 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten13 R.3–2011 - BL Grundprinzip der Automation Was sind Sensoren und Aktoren? SensorenAktoren Sensoren sind (elektronische) Bauelemente zur qualitativen oder quantitativen Detektion einer physikalischen Grösse. Aktoren oder auch Aktuatoren (engl. Actuator) wandeln eine physikalische Eingangsgrösse (zum Beispiel eine elektrische Spannung) in eine andere Ausgangsgrösse (zum Beispiel ein mechanisches Signal) um. Wärmestrahlung Temperatur Feuchtigkeit Druck Kraft Beschleunigung Magnetismus Hydraulisch Pneumatisch Elektromechanisch Magnetostriktiv Piezo Shape Memory Elektrostriktiv Rheologisch

14 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten14 R.3–2011 - BL Grundprinzip der Automation Arten von Sensoren Induktive Sensoren z.B. Metalldetektoren Kapazitive Sensoren z.B. Flüssigkeitsstandmessung Photoelektrische Sensoren zur Helligkeitsmessung mittels Photowiderständen Piezoelektrische Sensoren zur Druckmessung Temperatursensoren zur Heizungssteuerung Magnetsensoren für Schalter Ultraschallsensoren zur Enfernungsmessung(Park-Distance-Control) CCD-Sensoren für Digitalkameras Chemische Sensoren zur Säuregehaltsbestimmung

15 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten15 R.3–2011 - BL Grundprinzip der Automation Sensoren in der Fahrzeugtechnik

16 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten16 R.3–2011 - BL Grundprinzip der Automation Arten von Aktoren  Elektromotor Elektromotoren sind eine der am häufigsten eingesetzten Aktoren.  Bimetall Ein Bimetall besteht Grundsätzlich aus zwei fest miteinander verbundenen Metallstreifen die sich bei einer Erwärmung unterschiedlich schnell ausdehnen  Hydraulik und Pneumatik Bei beiden Aktor-Typen wird ein entsprechender Zylinder entweder mit Öl (hydraulisch) oder mit Druckluft (pneumatisch) gefüllt und dadurch bewegt.  Elektrochemisch Elektrochemische Reaktionen werden immer durch den Übergang von Elektronen gesteuert und sind daher sehr leicht zu kontrollieren.  Rheologisch Ein rheologischer Aktor ist zum Beispiel ein Dämpfer in Zylinder-Form der mit einer zähflüssigen Substanz wie Öl gefüllt ist. Dem Öl sind metallische Partikel beigemengt die beim Anlegen eines starken elektrischen, oder magnetischen Feldes die Viskosität des Öls ändern können.

17 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten17 R.3–2011 - BL Mikrocomputersystem Mikrocomputersystem als Steuerungsrechner

18 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten18 R.3–2011 - BL Mikrocomputersystem Komponenten eines Mikrocomputers

19 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten19 R.3–2011 - BL Mikrocomputersystem Aufteilung des Bussystems Anzahl Adressen = 2 Anzahl Drähte

20 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten20 R.3–2011 - BL Mikrocomputersystem Eingabe/Ausgabe (I/O-System) Eingabe - SensorenAusgabe - Aktoren Am Eingang eines Mikrocomputers werden Sensoren für die Informationsaufnahme benötigt. Am Ausgang werden Anzeige- elemente für die Informations- ausgabe und Aktoren für die Einwirkung auf den zu steuernden Prozess verwendet. Sensoren führen die Umformung der physikalischen Zustandsgrössen in digitale Signale durch. Sie dienen zum Teil gleichzeitig als galvanische Trennung. Aktoren wandeln häufig digitale Informationen in analoge Signale. Sie dienen auch zur galvanischen Trennung

21 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten21 R.3–2011 - BL Modellcomputer

22 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten22 R.3–2011 - BL Modellcomputer Befehlssatz R2_R1 Der Wert, der im Register R1 steht, wird in das Register R2 kopiert. Anschliessend enthalten also beide Register denselben Wert. 0000 0001 LIES_R1 ioadr Der Wert, der am Port mit der Nummer ioadr von aussen angelegt ist, wird in das Register R1 eingelesen. Die Nummer ioadr ist ein Operand, der ein Byte gross ist. Der Befehlscode von LIES R1 wird in einem Byte abgelegt, die Nummer ioadr in einem zweiten. 0000 0010 SCHREIB_R1 ioadr Der Wert, der im Register R1 steht, wird zum Port mit der Nummer ioadr kopiert. Der Befehlscode von SCHREIB R1 wird in einem Byte abgelegt, die Nummer ioadr in einem zweiten. 0000 0011 ADDIER_R1_R2 Die Inhalte von R1 und R2 werden im Prozessor addiert, das Resultat der Addition wird in das Register R1 zurückgeschrieben. Der ursprünglich in R1 stehende Wert wird also überschrieben. 0000 0100 SPRUNG padr Der Wert padr wird in den Programmzähler PZ eingeschrieben. Der Befehlscode von SPRUNG wird in einem Byte abgelegt, der Wert padr in einem zweiten Byte. 1111

23 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten23 R.3–2011 - BL Modellcomputer Ablauf der Programm-Abarbeitung

24 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten24 R.3–2011 - BL Modellcomputer Aufgabenstellung Einlesen der Werte von zwei Schalterports Addieren der Werte Ausgabe des Resultates an einem Lampenport Animation

25 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten25 R.3–2011 - BL Programmierung Mikrocomputer Mikroprozessor-Simulator

26 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten26 R.3–2011 - BL Programmierung Mikrocomputer verschiedene (simulierte) Peripheriegeräte

27 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten27 R.3–2011 - BL Programmierung Mikrocomputer Assembler-Umgebung

28 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten28 R.3–2011 - BL Programmierung Mikrocomputer Assembler-Beispiel

29 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten29 R.3–2011 - BL Steuern und Regeln Steuerung nach DIN 19226 Steuern oder Steuerung ist der Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Eingangsgrössen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmässigkeiten andere Grössen als Ausgangsgrössen beeinflussen. Kennzeichen für eine Steuerung ist der offene Wirkungsablauf über die Steuerstrecke.

30 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten30 R.3–2011 - BL Steuern und Regeln Raumtemperatursteuerung

31 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten31 R.3–2011 - BL Steuern und Regeln Beispiel Händetrockner Fototransisitor Linsenlampe Motor Robo Interface

32 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten32 R.3–2011 - BL Steuern und Regeln Regelung nach DIN 19226 Das Regeln - die Regelung - ist ein Vorgang, bei dem eine Grösse, die zu regelnde Grösse (Regelgrösse), fortlaufend erfasst, mit einer anderen Grösse, der Führungsgrösse, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgrösse beeinflusst wird.

33 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten33 R.3–2011 - BL Steuern und Regeln Beispiel Temperaturregelung NTC-Widerstand Linsenlampe Motor Robo Interface

34 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten34 R.3–2011 - BL Steuern und Regeln Beispiel Temperaturregelung

35 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten35 R.3–2011 - BL Steuern und Regeln Wirkungsplan der Regelung nach DIN 19226

36 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten36 R.3–2011 - BL Steuern und Regeln Elemente des Wirkungsplan nach DIN 19226 ElementErklärung MessgliedDas Messglied misst die aktuelle Regelgrösse x und gibt diese in geeigneter Form als Rückführgrösse r dem Vergleichsglied weiter. VergleichsgliedHier werden der aktuelle Messwert r der Regelgrösse und der Wert der Führungs- grösse w miteinander verglichen. In den meisten Fällen handelt es sich bei beiden Grössen um Messspannungen. Die Differenz beider Grössen ist die Regeldifferenz e. Diese wird an das Regelglied weitergegeben und dort ausgewertet. RegelgliedDas Regelglied ist das eigentliche Herzstück einer Regelung. Es wertet die Regel- differenz als Eingangsgrösse aus und leitet aus dieser die Reglerausgangsgrösse y R ab. StellerDer Steller ist sozusagen das „ausführende Organ“ der Regelung. Er erhält vom Regelglied in Form der Reglerausgangsgrösse y R Information darüber, wie die Regel- grösse beeinflusst werden soll und setzt diese in eine Änderung der Stellgrösse y um. StellgliedDieses Element des Regelkreises beeinflusst in Abhängigkeit der Stellgrösse y die Regelgrösse. RegelstreckeDie Regelstrecke ist das System, in dem sich die zu regelnden Grösse befindet.

37 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten37 R.3–2011 - BL Steuern und Regeln Grössen des Wirkungsplan nach DIN 19226 GrösseFormel- zeichen Erklärung FührungsgrössewSollwert der zu regelnden Grösse. RegeldifferenzeDifferenz zwischen Sollwert und Istwert ReglerausgangsgrösseyRyR Ausgangsgrösse des Reglers zur Steuerung der Stelleinrichtung StellgrösseyAusgangsgrösse des Stellers und Eingangssignal der Regelstrecke Störgrössezruft „unvorhergesehene“ Veränderungen der Regelgrösse hervor Regelgrössexdie zu regelnde Grösse RückführgrösserAusgangsgrösse des Messglieds

38 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten38 R.3–2011 - BL Steuer- und Regeltechnik in der Prozesssteuerung –Waschmaschinen, Billetautomaten, Werkzeugmaschinen, Händetrockner, Telefonzentralen, Heizungen, Kühlungen, chemische Prozesse, Lebensmittel-Herstellung usw. Kommunikations-Protokolle –TCP-Protokoll, DHCP-Protokoll usw. Mensch-Maschine-Kommunikation –Dokumentation für Systembedienung / Systemverhalten usw. State-Event-Technik Anwendungen

39 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten39 R.3–2011 - BL State-Event-Technik Zu simulierendes System

40 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten40 R.3–2011 - BL State-Event-Technik Zustandsdiagramme State Zustand, Status Situation, in welcher das System über eine längere Zeit stabil bleibt Event Ereignis, Anreiz, Input Aktion, welche einen Zustandsübergang auslöst Transition Zustandsübergang Alle Aktionen, die beim Übergang von einem Zustand in den nächsten ausgeführt werden

41 Modul 121 – Steuerungsaufgaben bearbeiten41 R.3–2011 - BL State-Event-Technik Zustandsübergangstabellen Zustandsorientierte Darstellung Ereignisorientierte Darstellung Zusammenhängende Darstellung