Automatisierungssysteme / Anwendungen in der Produktionstechnik

Präsentation zum Thema: "Automatisierungssysteme / Anwendungen in der Produktionstechnik"—  Präsentation transkript:

1 Automatisierungssysteme / Anwendungen in der Produktionstechnik
Inhalt 1. Produktionstechnik, Übersicht 2. Verfahrensleittechnik - Struktur - Rezeptfahrweise (Grundkonzept, Erstellen der Steuerrezepte, Funktionspläne) 3. Kraftwerksleittechnik - Prozess, Energiebedarf, Leittechnik - Struktur, Funktionsbeschreibung 4. Fertigungsleittechnik - Basistypen, Funktionelle Gliederung - Material- und Informationsfluss 5. CIM (Computer Integrated Manufacturing) - Ziel, Prinzip 6. Objekt - orientierte Leittechnik

2 Produktionstechnik: Übersicht Produktionstechnik
Verfahrenstechnik: Stoffumwandlung („Prozesstechnik“) Vielfätige Prozesse: (aber gleiche Grundfunktionen) Verfahrensleittechnik (Prozessleittechnik) - kontinuierliche Prozesse - Chargenprozesse (Rezeptursteuerung) mit Flexibilitätsforderungen Energietechnik: Energieumwandlung Kraftwerke: Kraftwerksleittechnik - ähnlich Verfahrensleittechnik (kont. Prozess), aber sehr hohe Verfügbarkeitsanforderungen (Anwendung von Prozess- und Leittechnikredundanz) - hoher Automatisierungsgrad (Verteilungs - Netz: Energieverteilung -> Netzleittechnik) Fertigungstechnik: Funktionale Formgebung, Flexible Produktion, Gliederung: „Zellen“, „Funktionen“ Fertigungsleittechnik - hoher Automatisierungsgrad - leicht an verschiedene Produkte anpassbar - Auftrags - bezogene Steuerung

3 1. Produktionstechnik, Übersicht 2. Verfahrensleittechnik - Struktur,
Automatisierungssysteme / Anwendungen in der Produktionstechnik Gliederung 1. Produktionstechnik, Übersicht 2. Verfahrensleittechnik - Struktur, - Rezeptfahrweise (Grundkonzept, Erstellen der Steuerrezepte, Funktionspläne) 3. Kraftwerksleittechnik - Prozess, Energiebedarf, Leittechnik - Struktur, Funktionsbeschreibung 4. Fertigungsleittechnik - Basistypen, Funktionelle Gliederung, - Material- und Informationsfluss 5. CIM (Computer Integrated Manufacturing) - Ziel, Prinzip 6. Objekt - orientierte Leittechnik

4 Idealstruktur eines Leitsystems
Verfahrensleittechnik: Idealstruktur eines Leitsystems System - Bus Produktionsleitebene (zentral) Planung, Instandhaltung Zentrale Projektierung, Dokumentation Diagnose Prozessleitung Meldungsanalyse, Protokollierung Datenspeicherung, Auswertung Logistische Führung Experten- Systeme Produktionsleitung Produktions- - Auftragsbildung, - Auftr.-Verfolgung Stammdat.- Verwaltung Informations-, Berichtswesen Bedienung, Beobachtung Anzeige, Bedienung (Prozess) - Bedienung - Meldungen, Trends, - Protokolle (Produktion) - Statistik, - Protokollierung Eingabe Ausgabe Steuerung Regelung Über- wachung Einzel- Funktionen Feldbus- Kopplung Messwert- Aufbereit. „Stations- Bus“ Prozessleitebene (Prozess - nah) Steuerung, Regelung, Überwachung Übergeordnete Rezeptur- Modell - bas. Reg., Überw. Syst.Bus- Anzeige, Bedieng. (Abschn.) (Gerät) Feld- Funktionen Verfahrensabschnitt n Sensor Aktor Verfahrens- Abschnitt n+1 Feldbus Feldebene

5 Verfahrensleittechnik: Rezeptfahrweise
Grundüberlegung der Rezeptfahrweise Zusammenhang Verfahren - Rezept wird abgebildet auf: wird abgebildet auf: Verfahrens - spezifisch Anlagen - spezifisch Verfahren Grundrezept Steuerrezept Strukturieren der Verfahren - leittechnische Grundoperationen, - Grundfunktionen Strukturierte Verfahrensbeschreibung (Grundrezept) Strukturieren der Anlage - Teilanlagen - Technische Funktionen Strukturierte Anlagenbeschreibung Verfahrens- Abschnitt Teil - Grundrezept Teil - Steuerrezept Chem.-techn. Grundoperation Leittechnische Grundoperation Steuer - Operation Grundfunktion Steuerfunktion Rezeptfahrweise Erstellung eines Steuerrezeptes: 1. Pro Grundfunktion (Teil-Grundrezept) bestimmen: techn. Funktion der Teilanlage, Einhaltung Auslegungsparameter 2. Zu überwachenden Ereignissen Informationsquellen zuordnen Darüber hinaus ist zu prüfen: 3. Teilanlage muss für Prozessbedingungen (P, T) ausgelegt sein 4. Teilanlage muss zu verarbeitenden Stoffen widerstehen

6 Standard - Struktur zur Rezeptfahrweise
Verfahrensleittechnik: Standard - Struktur zur Rezeptfahrweise Projektierung Produktion Produktions- leitebene Forschung Produktions- anforderung Produktions- meldung Ur-Rezept an Maßstab u. Arbeitsweise anpassen Ur-Rezept Grund-Rezept Steuer- Rezept erstellen Produktions- meldung erarbeiten Betriebs- leitebene Zuordnung GF-TA-TF GF: Grund- Funktion GO: Grund- Operation TA: Teil- Anlage TF: Teil- GO- u. GF- Biliothek Steuerrezept Chargen- protokoll GO u. GF projektieren Steuer- Rezept ausführen Chargen- protokoll erstellen Prozess- leitebene Anlagenbe- schreibung Stellwerte Istwerte Feld- ebene

7 Funktionsplan - Ausschnitt
Rezeptursteuerung: Funktionsplan - Ausschnitt Inertisieren mit Inertgas 1 O2-Konzentration < 0,5 % Dosieren Stoff: Lös.Mttel Menge: 1000 l 2 1000 l Lösungsmittel Temperieren Sollwert = 25°C Toleranz = 3°C 3 Rühren 4 25 °C Dosieren Stoff: Lös.Mttel Menge: 1000 l Temperieren Sollwert = 25°C Toleranz = 3°C Dosieren Stoff: Eins.Stoff Menge: 1000 l 5 6 7 Einsatzstoff dosiert und gelöst

8 Ablaufbeschreibung der Verfahrensvorschrift
Rezeptursteuerung: Ablaufbeschreibung der Verfahrensvorschrift Teilgrundrezept 1 Leittechnische Grundoperation 44 Leittechnische Grundoperation 18 Teilgrundrezept 2 Teilgrundrezept 3 Leittechnische Grundoperation 11 Grundfunktion 17 Grundfunktion 32 Grundfunktion 4

9 1. Produktionstechnik, Übersicht 2. Verfahrensleittechnik - Struktur,
Automatisierungssysteme / Anwendungen in der Produktionstechnik Gliederung 1. Produktionstechnik, Übersicht 2. Verfahrensleittechnik - Struktur, - Rezeptfahrweise (Grundkonzept, Erstellen der Steuerrezepte, Funktionspläne) 3. Kraftwerksleittechnik - Prozess, Energiebedarf, Leittechnik - Struktur, Funktionsbeschreibung 4. Fertigungsleittechnik - Basistypen, Funktionelle Gliederung, - Material- und Informationsfluss 5. CIM (Computer Integrated Manufacturing) - Ziel, Prinzip 6. Objekt - orientierte Leittechnik

10 Dampfkraftwerk mit Wärme - Kraft - Kopplung
Energietechnik, Kraftwerksprozess: Dampfkraftwerk mit Wärme - Kraft - Kopplung E-Filter Wäscher (REA) vereinfacht Dampferzeuger („Kessel“) Saugzug Block- Transfor- mator Frischlüfter Luft- Vor- Wärmung Staub z.B. Gips z.B. 10kV Turbogruppe: Turbine Generator Frischdampf, bis 300 bar/540°C Eigenbedarfs- Transformator Rauch- gas Fernheizung Speise- Wasser- Behälter Schalt- anlagen Konden- sator Luft Brennstoff - Öl / Gas, - Kohle, - Müll Umwälz- pumpe Speisewasser- pumpe Kondensat- pumpe Asche z.B. Flusswasser Wasseraufbereitung

11 Energiebedarf über einen Tag
Energietechnik, Kraftwerksprozess: Energiebedarf über einen Tag Leistung „Spitzenlast“ -> Pumpspeicher- anlagen, Gasturbinen „Fahrplan“- Last -> geregelte Anlagen, besonders Öl, Gas Grundlast -> Kernkraftwerke, Kohlekraftwerke Zeit h

12 Energietechnik, Kraftwerksleittechnik: Funktionale Struktur
Steuerung, Regelung Block- Leit- Ebene P r o z e s s l e i t e b e n e Asset - Management Lebensdauer- Berechnung Betriebs- Optimierung Gruppen- Leit- Ebene aufgeteilt in: Vorwahl (= Betriebs- automatik) „Antriebsgruppe“ (Hauptantrieb + Hilfsantriebe) „Funktionsgruppe“ (Teil der Anlage, z.B. „Frischluftvers.“) Steuerung, Regelung Einzel- Leit- Ebene Antriebs- Schutz Bedienung M

13 typische Funktionsbeschreibung
Energietechnik, Kraftwerksleittechnik: typische Funktionsbeschreibung Bedienung Individuell zu planen: Signale Freigabelogik, Schutzlogik Standard-Verbindung (nicht sichtbar) Standard - Funktionsbaustein AUTO_EIN Bef_EIN AUTO_AUS Bef_AUS Freig_EIN Freig_AUS Schutz_EIN Schutz_AUS RM_EIN RM_AUS Störung P >TIEF Vent.ZU & 1 L < MIN Pp.EIN Pp.AUS Pp.gestört Pp. EIN Pp. AUS Pumpe 1 Antriebssteuerung

14 1. Produktionstechnik, Übersicht 2. Verfahrensleittechnik - Struktur,
Automatisierungssysteme / Anwendungen in der Produktionstechnik Gliederung 1. Produktionstechnik, Übersicht 2. Verfahrensleittechnik - Struktur, - Rezeptfahrweise (Grundkonzept, Erstellen der Steuerrezepte, Funktionspläne) 3. Kraftwerksleittechnik - Prozess, Energiebedarf, Leittechnik - Struktur, Funktionsbeschreibung 4. Fertigungsleittechnik - Basistypen, Funktionelle Gliederung, - Material- und Informationsfluss 5. CIM (Computer Integrated Manufacturing) - Ziel, Prinzip 6. Objekt - orientierte Leittechnik

15 Basistypen flexibler Produktionssysteme
Fertigungsleittechnik: Basistypen flexibler Produktionssysteme Materialfluss- technische Unterscheidung Flexible Produktionssysteme (FPS) Anzahl Maschinen Ein - Maschinen Mehr - Maschinensysteme Systeme Verkettung ja nein Verkettungsprinzip ungetaktet getaktet diskret kontinuierlich diskret Basistyp 1 Basistyp 2 Basistyp 3 Basistyp 4 Basistyp 5 Einzelmaschinen- FPS mit FPS mit FPS mit Unverkettetes orientiertes diskreter kontinuierlicher getakteter Mehrmaschinen- FPS Verkettung Verkettung Verkettung System z.B. Ein- z.B. flexibles z.B. flexibles z.B. flexible z.B. Werkstatt Maschinenzeile Fertigungs- Montage- Transfer- System System straße Leittechnik in der Fertigungstechnik: Fertigungsleitsysteme (FLS) / Montageleitsysteme für Basitypen - hoher Automatisierungsgrad, - Produktionsbeauftragung / Planung im Auftragsmix - Steuerung von Werkstück- und Werkzeugfluss Leitsysteme für flexible Transferstraßen: für Basistyp 4 Werkstattsteuerungssysteme: für Basistyp 5 - sequenzielle Planung von Fertigungsaufträgen Weitere Unterscheidungen der Basistypen - Automatisierungsgrad - Produktions - begleitende Funktionen (Messen, Werkzeugvorbereitung, ..) - Fertigungstyp (Auftragsmix, Los-weise Fertigung) - Werkstückhandhabung (direkt / indirekt) - Werkzeughandhabung (mit / ohne Handhabung)

16 Funktionelle Gliederung der Gesamtsteuerungsaufgabe
Fertigungsleittechnik: Funktionelle Gliederung der Gesamtsteuerungsaufgabe Gesamt - Steuerungsaufgabe gegliedert in: z.B. für Fertigungszellen und Transferstraßen Steuerungs- Funktionen - Funktions- Steuerung (Maschinen- abhängig) - Programm- (Teileabh.) - Steuerung- Daten- Verteilung Programmier- Funktionen - Program- mierung der Funktions- steuerung mierung der Teile- abhängigen Diagnose- Funktionen - Maschinen- Diagnose: -Steuerung -Peripherie -Werkzeuge - Teile-abhäng. -Kollision -Qualitäts- sicherung Verwaltungs- Funktionen - Aufträge - Werkzeuge - Werkstücke - Steuerdaten Organisations- Funktionen - Auftrags- abarbeitung - Werkzeug- Speicher- Organisation - Werkzeug- Korrektur- Kommu- nikation extern LAN - Anschluss Kommunikation intern Mess- Funktionen - Temperatur - Körperschall - Geometrie Bedien - und Anzeigefunkt. - Menü - und Fenstertechn. - Grafik Betriebs - und Maschinen- Datenerfassung - Status - Betriebszeit - Bearbeitungszeit Datenbank - Betriebsdaten - Werkzeugdat. - Steuerdaten

17 Gliederung der Steuerungstechnik
Fertigungsleittechnik: Gliederung der Steuerungstechnik Hierarchische SW - Unterteilung Fertigungszelle 1 Einzelm.1 .. Einzelm.n Fertigungszelle m Antrieb 1..n Greifer 1..n Ventil 1..n Anzeige1.n Antr. 1..n Greif.1..n Ventil1..n Anz. 1..n Transport Fertigungssystem Physikalische Ebenen, Funktionseinheiten Systemablaufsteuerung System Beauftragbare Funktionen Positionier- Achse Bahn- Achsen . . . Funktionsblöcke Fehler- behand- lung Inter- pola- tion Lage- Regel- ung funktionen Einzel- Zellen- funktion E4 Maschinen- funktion E3 Ansteuerungs- Funktion E2 Sensor / Aktor E1 Funktionsblock Programmablaufsteuerung Fn1 . . . F1 Fn Antriebe, Greifer, Messsystem usw. - Maschinen - Bedienfunktion - Simulation - Auftragsverwaltung - NC - Programme - GEO (Dateiformat) - Speicher - Bedienoberfläche - SPS - Lageregler - Positionierachsen - Messdaten- vorverarbeitung Programmablauf und Funktionsblock

18 Informations- und Materialfluss im Unternehmen
Fertigungsleittechnik: Informations- und Materialfluss im Unternehmen Externer Daten - austausch Unternehmensplanung Fertigungs - und Prüfvorbereitung Qualitäts- sicherung Anfor- derung Langfristige Disposition, Kapazitätsbedarf, Strategie Entwicklung, Projektierung, Konstruktion, SW - Erstellung, Dokumentation Z.B. Auftrags- daten Normteil- Konstruk- tionsdaten Auftragsabwicklung Produktionsplanung Disposition, Material - u. Teilewirtschaft, Termin- u. Kapazitätsplang. Kunden- auftrag Dispo- daten Stamm- daten Qualitätsdaten Auftrags- überwachung, Terminierung, Fakturierung Ferti- gungs- auftrag, Produk- tions- daten Ist- daten, Rück- meld. Test- vorgabe NC-Prog. Arbeits- pläne Korr- ektur- daten Fertigungssteuerung u. Überwachung, Betriebsdatener- fassung u. Ausgabe Qualitätsdaten Wareneingang Prüfung Lager Fertigung Prüfung Lager Versand Material- (Teile-) Fluss

19 Fertigungsleittechnik: lokale Netze
Arbeitsplatzrechner Kopplung Server Unternehmensrechner CAP PPS CAE Betriebsebene Leitrechner Kopplung Betriebsrechner Server CAQ CAM Produktions- Leitebenee Informationsfluss Kopplung Zellenrechner CAM Führungs- Prozess- ebene Steuerung Daten- erfassung Steuerungs / Feldebene Wareneingang Lager Vorfertigung Montage Versand Material- (Teile-) Fluss

20 Kommunikation in einer Fertigungszelle
Fertigungsleittechnik: Kommunikation in einer Fertigungszelle Rechner MMS Schicht 7 Schicht 1 IEEE 802.3 Backbonebus MAP Companion - Standard für den Feldbus (FMS) DIN Companion - Standard für Auto- matisierungsgeräte (PMS) Companion - Standard für SPS (PCMS) NC - Maschinen IEEE 802.3 SPS IEEE 802.4 NC - Maschine Schicht 7 Schicht 1 Zellbus MAP, PROFIBUS IEEE 802.3 SPS DIN Schicht 1 Schicht 7 Feldbus PROFIBUS DIN Programmier-Gerät Schicht 1 Schicht 7 Feldgerät

21 1. Produktionstechnik, Übersicht 2. Verfahrensleittechnik - Struktur,
Automatisierungssysteme / Anwendungen in der Produktionstechnik Gliederung 1. Produktionstechnik, Übersicht 2. Verfahrensleittechnik - Struktur, - Rezeptfahrweise (Grundkonzept, Erstellen der Steuerrezepte, Funktionspläne) 3. Kraftwerksleittechnik - Prozess, Energiebedarf, Leittechnik - Struktur, Funktionsbeschreibung 4. Fertigungsleittechnik - Basistypen, Funktionelle Gliederung, - Material- und Informationsfluss 5. CIM (Computer Integrated Manufacturing) - Ziel, Prinzip 6. Objekt - orientierte Leittechnik

22 Zeit als Produktionsfaktor, Zeitvorteil als Kostenvorteil
CIM: Zeit als Produktionsfaktor, Zeitvorteil als Kostenvorteil Wettbewerbssituation: wesentlich abhängig von der Ausschöpfung der Unternehmenspotenziale in - Forschung / Entwicklung, - Beschaffung, - Produktion, - Vertrieb Faktoren: - Produkt - Kosten, - Produkt - Qualität, - Zeit: -> Markteinführung bzw -> Auftrags - Lieferung Produktentwicklungszeit Entwicklungs- Kosten + 50% % Ergebniseinbuße Entwicklungszeit + 6 Monate % Kosten Konstruktion AV % Zeit Ferti- gung Mon- tage Auftragsdurchlaufzeit Kumulierte Erfahrung Zeitvorteil Kostenvorteil Zeit, Menge Preis, Kosten

23 Datenintegration, Aufgabenintegration,
CIM: Prinzip Behebung von Schwachstellen konventioneller Auftragsabwicklung Produkti- vität Flexibili- tät Kosten Flexibilität Komplex- ität Kapital- Einsatz Nutzen Ver- fügbarkeit Dilemma der Automatisierung: konkurrierende Ziele (wiederholte Grunddatengenerierung, sequenzielle Bearbeitung mit mangelnder Synchronisation) Verkauf Konstruk- tion Arbeits- planung Arbeits- steuerung Fertigung, Montage Lösungsansatz: Datenintegration, Aufgabenintegration, Zeitintegration Daten nur einmal erzeugen, überall aufbereitet zur Verfügung Hilfsmittel: vorhanden! (Rechner, CDA, CAP, NC, autom. Lager, ..) Hemmnisse: - Schnittstellenprobleme aufgrund unterschiedlicher HW / Datenstrukturen - Organisations - Strukturen, Abläufe (Taylorismus) - finanzielle Rechtfertigung für integrierte Lösungen schwierig: - nicht alle Nutzwerte monetär quantifizierbar - Nutzen in indirekt betroffenen Bereichen - unsichere Ergebnisse

24 durch CIM zu erreichende Ziele
Unternehmensziel: langfristige Ertragssicherung CIM: Computer Integrated Manufactoring beschreibt integrierten EDV – Einsatz in allen Produktions - Betriebsbereichen CAD: Computer Aided Design Sammelbegriff für EDV - Einsatz für Entwicklung und Konstruktion CAM: Computer Aided Manufacturing EDV-Unterstützung des Fertigungsprozesses CAP: Computer Aided Planning EDV-Unterstützung der Arbeitsplanung CAE: Computer Aided Engineering als Oberbegriff für CAD / CAP CAQ: Computer Aided Quality Assurance EDV-unterstützte Qualitätssicherung (Planung und Durchführung) PPS: Produktions - Planung und -Steuerung Rechner-unterstützter Systeme für Planung, Steuerung, Überwachung von Produktionsabläufen Hilfsmittel: Handlungsziel: Schaffung von Wettbewerbsvorteilen Ziele, die durch CIM erreicht werden können: Kürzere Entwick- lungs- zeiten Kürzere Durch- lauf- zeiten bessere Termin- einhal- tung geringere Kosten höhere Produkt- qualität CIM - Potenziale: Flexibilität und Lieferfähigkeit

25 Lean Production (Schlanke Produktion):
“Lean Produktion“: entwickelt in Japan, diskutiert als “Fertigungs - Strategie der Zukunft“: Zu erwarten: - komplexe Produkte, - hohe Variantenzahl - kurze Innovationszyklen (= kurze Produktlebensdauer) erfordert: flexible Automatisierung (im Vorfeld und in der Produktion) Maßnahmen: - Dezentralisierung der Unternehmensorganisation Unternehmens- und Produktions - Strukturen:  Komplexität verringern  optimale Beherrschung - Verringerung der Arbeitsteiligkeit (Gruppenarbeit an ganzem Produkt)  Aufbau Reaktions - schneller Unternehmenseinheiten mit vernetzter, paralleler Arbeitsweise - Verringerung der nicht Wert - schöpfenden Tätigkeiten

26 1. Produktionstechnik, Übersicht 2. Verfahrensleittechnik - Struktur,
Automatisierungssysteme / Anwendungen in der Produktionstechnik Gliederung 1. Produktionstechnik, Übersicht 2. Verfahrensleittechnik - Struktur, - Rezeptfahrweise (Grundkonzept, Erstellen der Steuerrezepte, Funktionspläne) 3. Kraftwerksleittechnik - Prozess, Energiebedarf, Leittechnik - Struktur, Funktionsbeschreibung 4. Fertigungsleittechnik - Basistypen, Funktionelle Gliederung, - Material- und Informationsfluss 5. CIM (Computer Integrated Manufacturing) - Ziel, Prinzip 6. Objekt - orientierte Leittechnik

27 Objekt - orientiertes Leitsystem: Struktur
Große Informationsmenge (um Faktor 10 gestiegen), verschiedene Nutzungsprofile Produktions- Planungssystem Instandhaltungs- System Experten- System . . . System Offene Systemschnittstelle (generischer Software - Datenbus) Feldebene Messen, Steuern, Regeln Prozessobjekt - Datenbasis Prozess- / Produkt - Abbild Archiv, Anwendungsmethoden, Parametrierung Datenbasis, Editoren für Icons, Grafik, Prozessvariablen, Methoden, Prozess-/ Produktmodelle Bedienen, Beobachten Grundeigenschaften der Objekt - Orientierung: - Klassenhierarchie mit dynamischer Verknüpfung der Klassen - Vererbung von Klasseneigenschaften - Kapselung von Informationen Klasse: generelle Objektbeschreibung, Attribute: Festlegung der Objekt - Eigenschaften (Daten, Funktionen) Inform.techn.Objekt: Belegung mit Werten, Funktionen = reales Objekt (für bestimmte Prozess - Leit - Aufgabe) Vererbung: Weitergabe von Attributen ohne Neu-Definition Funktionsbereiche Objekt - orientierter Leitsysteme: - Objekt - orientierte Prozess / Produktmodellierung 1. Definition realer Objekte, Attribute, Beziehungen 2. Abbilden auf Klassen (Objekte der Inf.-Verarb.), Oft vorkommende Basis-Klassen -> komplexe Klassen 3. Instanziierung (Wert / Funktionszuweisung im Prozess) - dazu passendes Bedien- und Beobachtungssystem, (definiert für jede Klasse, mit instanziiert) - Objekt - orientiertes, verteiltes Verarbeitungs- und Speichersystem