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E-Book

Taschenbuch der Automatisierung

VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2017
Seitenanzahl635 Seiten
ISBN9783446451025
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis34,99 EUR
Die Automatisierung technischer Prozesse - zusammengefasst im Taschenbuch
Für Studierende, Ingenieure und Techniker
-Das Taschenbuch deckt sowohl die klassischen Wissensgebiete als auch die neuesten Methoden und Werkzeuge ab
- Das Wissen wird kompakt und strukturiert vermittelt
- Zahlreiche Aktualisierungen und Überarbeitungen der einzelnen Kapitel bringen den Leser auf den neuesten Stand
Das moderne Kompendium ist bestens geeignet für die Prüfungsvorbereitung und bei Klausuren, aber auch für das schnelle Nachschlagen von Fachbegriffen, Normen und Standards.

Prof. Dr.-Ing. Reinhard Langmann war von 1993 bis 2019 Professor für Prozessinformatik im Fachbereich Elektro- und Informationstechnik der Hochschule Düsseldorf. In dieser Zeit war er für die Lehrveranstaltungen Prozessinformatik, Mensch-Maschine-Systeme und Industrial Ethernet verantwortlich. Aktuell ist er als Seniorprofessor an der Hochschule tätig. Langmann beschäftigt sich seit vielen Jahren mit dem Einsatz der Informations- und Kommunikationstechnik für die Automatisierung technischer Prozesse. Er publizierte sechs Fachbücher zur Automatisierungstechnik und ist (Mit-)Urheber von sieben Patenten. Seit Anfang 2000 konzentrieren sich seine Forschungsarbeiten auf die Anwendung der Internettechnologien für die Industrieautomatisierung. Er ist Chairman der internationalen Edunet World Association e. V. und Mitglied des Vorstandes des New Automation e. V.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort8
Inhaltsverzeichnis10
0 Einleitung20
0.1 Begriff der Automatisierung20
0.2 Fachinhalt20
1 Strukturen23
1.1 Automatisierung technischer Prozesse23
1.1.1 Grundbegriffe23
1.1.1.1 Prozess und Prozesstechnik23
1.1.1.2 Produktionstechnik23
1.1.1.3 Informationstechnik24
1.1.2 Strukturierung produktionstechnischer Prozesse24
1.1.2.1 Prozessabschnitte24
1.1.2.2 Prozessoperationen25
1.1.2.3 Prozessschritte26
1.1.3 Darstellungsformen für Prozesse26
1.1.3.1 Grundfließbild26
1.1.3.2 Formalisierte Prozessbeschreibungen27
1.1.3.3 GRAFCET-Plan29
1.1.3.4 Fertigungsablaufplan30
1.1.4 Anlagenhierarchien30
1.1.4.1 Produktionstechnische Anlagen30
1.1.4.2 Teilanlage31
1.1.4.3 Technische Einrichtung32
1.1.5 Darstellung verfahrenstechnischer Anlagen34
1.1.5.1 Fließbilder34
1.1.5.2 Anlagen- und Apparatekennzeichen (AKZ)36
1.1.6 Charakteristika technischer Prozesse39
1.1.6.1 Kontinuierliche Verfahren39
1.1.6.2 Diskontinuierliche Verfahren39
1.1.6.3 Fertigungen40
1.1.6.4 Mengen- und Zeitbegriffe40
1.1.7 Anlagenkonzepte41
1.1.7.1 Taxonomien nach NAMUR41
1.1.7.2 Anlagen für den Fließbetrieb42
1.1.7.3 Anlagen für den Absatzbetrieb42
1.1.8 Anforderungen an die Leittechnik43
1.1.8.1 Anlagentechnische Anforderungen43
1.1.8.2 Anforderungen aus Sicht der Produktion44
1.2 Strukturen von Prozessleitsystemen46
1.2.1 Zielsetzung46
1.2.2 Topologien47
1.2.2.1 Parallele Technik47
1.2.2.2 Zentrale Technik48
1.2.2.3 Dezentrale Technik48
1.2.3 Prozessnahe Komponenten (PNK)50
1.2.3.1 Funktionen50
1.2.3.2 Aufbau50
1.2.4 Anzeige- und Bedienkomponenten (ABK)51
1.2.4.1 Funktionen51
1.2.4.2 Aufbau52
1.2.5 Engineering Workstations (EWS)53
1.2.6 Leitrechnerkomponenten (LRK)53
1.2.7 Netzwerkkomponenten54
1.2.7.1 Funktionen54
1.2.7.2 Topologien und Technologien54
1.3 Aktuelle Entwicklungen55
2 Rechner58
2.1 Einführung58
2.2 Rechnerkern59
2.2.1 Darstellung von Prozessgrößen59
2.2.2 Grundstruktur eines Mikroprozessors64
2.2.3 Basisfunktionen einer CPU66
2.2.3.1 Befehlsarten67
2.2.3.2 Adressierungsarten69
2.2.3.3 Multitasking-Unterstützung71
2.2.4 Busschnittstelle74
2.2.5 Leistungserhöhung des Rechnerkerns77
2.2.5.1 Parallelverarbeitung77
2.2.5.2 Schneller Zwischenspeicher79
2.2.5.3 Mehrkernprozessoren80
2.3 Eingabe- und Ausgabesystem81
2.3.1 Betriebsarten für die Ein- und Ausgabe82
2.3.1.1 Programmierte Ein- und Ausgabe82
2.3.1.2 Interruptgesteuerte Ein- und Ausgabe83
2.3.1.3 Direkter Speicherzugriff86
2.3.2 Prozessrechner-Schnittstellen87
2.3.2.1 Bussysteme88
2.3.2.2 Punkt-zu-Punkt-Verbindungen90
2.4 Spezielle Rechnerstrukturen92
2.4.1 Mikrocontroller92
2.4.2 Signalprozessoren95
2.4.3 Kundenspezifische Controller96
2.5 Prozessrechner-Peripherie96
2.5.1 Digitalausgabe97
2.5.2 Digitaleingabe97
2.5.3 Analogausgabe99
2.5.4 Analogeingabe100
2.5.5 Echtzeituhren103
3 Komponenten104
3.1 Aufbau eines automatisierten Systems104
3.2 Sensoren106
3.2.1 Einführung in die Sensortechnik106
3.2.1.1 Sensoreigenschaften107
3.2.1.2 Physikalische Effekte für Sensoren108
3.2.1.3 Signalauswertung111
3.2.2 Sensoren und Messverfahren113
3.2.2.1 Temperatur113
3.2.2.2 Kraft, Masse119
3.2.2.3 Druck120
3.2.2.4 Drehmoment124
3.2.2.5 Länge, Winkel125
3.2.2.6 Position, Lage127
3.2.2.7 Drehzahl128
3.2.2.8 Beschleunigung129
3.2.2.9 Durchfluss130
3.2.2.10 Füllstand135
3.2.2.11 Feuchte139
3.2.2.12 Gassensoren142
3.3 Aktoren144
3.3.1 Einführung in die Aktorik144
3.3.2 Stellglieder für Masseströme145
3.3.2.1 Übersicht146
3.3.2.2 Eigenschaften und Kennlinien146
3.3.2.3 Auswahl von Stellgliedern149
3.3.3 Stellantriebe150
3.3.3.1 Eigenschaften150
3.3.3.2 Elektrische Stellantriebe151
3.3.3.3 Pneumatische Stellantriebe152
3.3.3.4 Hydraulische Stellantriebe153
3.3.3.5 Thermische Stellantriebe154
3.3.4 Ansteuereinrichtungen156
3.4 Automatisierungseinrichtungen157
3.4.1 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) – Aufbau und Wirkungsweise159
3.4.1.1 Zentralbaugruppe161
3.4.1.2 Peripheriebaugruppen161
3.4.1.3 Hardwarekonfiguration161
3.4.1.4 Einbindung des Anwendungsprogramms162
3.4.2 PC-basierte Steuerungen (Soft-SPS)163
3.4.3 Programmierbare Automatisierungs-Controller (Programmable Automation Controller, PAC)164
3.5 Steuerungen165
3.5.1 Einführung in die Steuerungstechnik165
3.5.1.1 Stetige Steuerungen165
3.5.1.2 Binäre Steuerungen166
3.5.2 Technische Realisierung167
3.6 Regelungen168
3.6.1 Einführung in die Regelungstechnik169
3.6.2 Berechnungsmethoden für Regelkreise170
3.6.2.1 Linearisierung171
3.6.2.2 Differenzialgleichung172
3.6.2.3 Laplace-Transformation172
3.6.2.4 Test-/Antwort-Funktionen173
3.6.2.5 Frequenzgang174
3.6.3 Elementare Übertragungsglieder175
3.6.3.1 Typische Regelstrecken175
3.6.3.2 Typische Regler179
3.6.4 Regelkreis182
3.6.4.1 Systemverhalten183
3.6.4.2 Auswahl geeigneter Regler183
3.6.4.3 Statisches Regelverhalten183
3.6.4.4 Stabilität von Regelkreisen184
3.6.4.5 Regelgüte187
3.6.4.6 Einstellregeln188
3.6.5 Technische Realisierung von Reglern192
3.6.5.1 Elektronische Regler192
3.6.5.2 Digitale Regler193
3.6.5.3 Pneumatische Regler194
3.6.5.4 Regler ohne Hilfsenergie194
3.6.6 Ergänzende Regelverfahren194
3.6.6.1 Störgrößenaufschaltung195
3.6.6.2 Hilfsgrößenaufschaltung196
3.6.6.3 Kaskadenregelung197
3.6.6.4 Adaptive Regler197
3.6.6.5 Schaltende Regler199
3.6.6.6 Zweipunktregler ohne Rückführung199
3.6.6.7 Zweipunktregler mit Rückführung200
3.6.6.8 Dreipunktregler201
3.6.7 Fuzzy-Regler201
4 Modelle205
4.1 Einführung205
4.1.1 Modellbildung205
4.1.2 Modellnutzung206
4.2 Prozessmodelle207
4.2.1 Theoretische Prozessanalyse208
4.2.1.1 Ablauf der theoretischen Modellbildung208
4.2.1.2 Methode der Bilanzgleichungen209
4.2.2 Experimentelle Prozessanalyse211
4.2.2.1 Modellgüte211
4.2.2.2 Testsignale212
4.3 Steuer- und Ablaufmodelle213
4.3.1 Überblick213
4.3.2 Programmablaufplan216
4.3.3 Zustands- und Automatengraph220
4.3.3.1 Zustandsgraph220
4.3.3.2 Automatengraph221
4.3.4 Steuernetz226
4.3.5 SPS-Modelle229
4.3.5.1 Einordnung229
4.3.5.2 Der SPS-Standard IEC 61131230
4.3.5.3 Software-Modell des Standards IEC 61131-3231
4.3.5.4 SPS-Modelle nach IEC 61131-3233
4.3.5.5 Zum Umfeld der IEC 61131-3241
4.4 Informationstechnische Modelle242
4.4.1 Software-Entwicklung242
4.4.2 Strukturierte Methoden244
4.4.2.1 Systementwicklung und strukturierte Methoden244
4.4.2.2 Strukturierte Analyse247
4.4.2.3 Real-Time-Analyse249
4.4.3 Objektorientierte Methoden252
4.4.3.1 Objektorientierte Analyse252
4.4.3.2 Unified Modeling Language253
4.4.3.3 Webbasierte Methoden254
5 Programme257
5.1 Betriebssysteme257
5.1.1 Begriffe257
5.1.1.1 Programmsystem257
5.1.1.2 Betriebssystem257
5.1.1.3 Anwendungs-Software258
5.1.1.4 Ebenenmodell der Programmsysteme258
5.1.1.5 Aufträge und Rechenprozesse258
5.1.1.6 Betriebsarten259
5.1.2 Betriebssystemkern260
5.1.2.1 Komponenten260
5.1.2.2 Unterbrechungsbearbeitung262
5.1.2.3 Prozessverwaltung263
5.1.2.4 Zeitverwaltung271
5.1.2.5 Speicherverwaltung272
5.1.2.6 Geräteverwaltung274
5.1.2.7 Dateiverwaltung276
5.1.3 Betriebssystemschale280
5.1.3.1 Komponenten280
5.1.3.2 Betriebssprachen281
5.1.3.3 Grafische Bedienoberflächen281
5.1.3.4 Programme zur Systempflege283
5.1.4 Realzeitbetrieb283
5.1.4.1 Begriffe und Voraussetzungen283
5.1.4.2 Realzeitprozesse im Singletask-Betrieb284
5.1.4.3 Realzeitprozesse im Multitask-Betrieb285
5.1.4.4 Realzeitmöglichkeiten marktüblicher Betriebssysteme286
5.2 Programmiersprachen287
5.2.1 Genealogie287
5.2.2 Prozessprogrammiersprachen288
5.2.2.1 Allgemeine Kriterien288
5.2.2.2 C als Prozessprogrammiersprache288
5.2.3 SPS-Programmierung nach DIN EN 61131-3289
5.2.3.1 Softwaremodell289
5.2.3.2 Grafische Programmiersprachen290
5.2.3.3 Textuelle Programmiersprachen293
5.2.3.4 Ablaufsprache294
5.2.4 Programmierumgebung296
5.2.4.1 Editoren296
5.2.4.2 Übersetzer297
5.2.4.3 Testhilfen298
5.3 Objektorientiertes Programmieren299
5.3.1 Grundlagen299
5.3.1.1 Objekte und Klassen299
5.3.1.2 Beziehungen zwischen Objekten300
5.3.1.3 Beziehungen zwischen Klassen301
5.3.2 Objektorientierte Programmiersprachen302
5.3.2.1 Anforderungen302
5.3.2.2 Eigenschaften objektorientierter Programmiersprachen302
5.3.2.3 Beispiele objektorientierter Sprachen303
5.4 Komponentenbasiertes Programmieren306
5.4.1 Grundlagen306
5.4.1.1 Technische Motivation306
5.4.1.2 Anforderungen an Komponentenmodelle306
5.4.2 Architekturen und Komponentenmodelle307
5.4.2.1 CORBA307
5.4.2.2 DCOM309
5.4.2.3 Realisierte Komponentenmodelle309
6 Kommunikation312
6.1 Kommunikationstechnik im industriellen Umfeld312
6.1.1 Zweck der industriellen Kommunikationstechnik312
6.1.2 Anforderungen an industrielle Kommunikationstechnologien313
6.2 Referenzmodelle für Kommunikationssysteme314
6.2.1 OSI-Referenzmodell316
6.2.2 TCP/IP-Referenzmodell320
6.3 Kommunikationstechnologien323
6.3.1 Kommunikation auf der physikalischen Ebene324
6.3.2 Netzwerktopologien337
6.3.3 Medienzugriff342
6.3.4 Ethernet356
6.3.5 Funktechnologien366
6.4 Paketübertragung auf der Netzwerkschicht385
6.4.1 IP Version 4 (IPv4)387
6.4.2 IP Version 6 (IPv6)393
6.5 Industrielle Kommunikationstechnik397
6.5.1 Einfache digitale Schnittstellen397
6.5.2 Feldbusse403
6.5.3 Industrielles Ethernet419
7 Mensch-Maschine-Systeme425
7.1 Einführung425
7.2 Mensch-Maschine-Kommunikation427
7.2.1 Aufgaben- und Tätigkeitssituationen427
7.2.2 Bedien- und Benutzerfreundlichkeit428
7.2.3 Mensch-Rechner-Schnittstelle429
7.2.4 Kommunikationsformen429
7.3 Grafische Benutzerschnittstellen430
7.3.1 Grundlagen430
7.3.2 Grafische Systeme und Schnittstellen431
7.3.3 Fenstertechnik433
7.3.3.1 X-Window-System434
7.3.3.2 MS Windows434
7.3.4 Interaktion und Dialog435
7.3.5 Gestaltung436
7.4 Informationsvisualisierung441
7.4.1 Grafische Datenanalyse442
7.4.1.1 Datenmatrixen442
7.4.1.2 Datenbanken443
7.4.2 Prozessvisualisierung444
7.4.2.1 Bildobjekte für technische Prozesse445
7.4.2.2 Erzeugung der Bilddynamik446
7.4.2.3 Prozessvisualisierungssysteme449
7.4.2.4 Prozessvisualisierung im Internet450
7.4.3 Neue Techniken der MMK453
7.4.3.1 Virtual Reality454
7.4.3.2 Computer Augmented Reality455
7.4.3.3 Multimedia456
8 Anwendungen457
8.1 Rezeptsteuerung und Verfahrenslogistik457
8.1.1 Grundbegriffe457
8.1.2 Funktionenmodelle und Aufgabenbereiche458
8.1.2.1 Funktionenmodell nach NE 33458
8.1.2.2 Aufgabenbereiche nach DIN EN 61512-1460
8.1.3 Produktunabhängige Steuerungskomponenten für Produktionsprozesse460
8.1.3.1 Steuerfunktionselemente460
8.1.3.2 Steuerfunktionen461
8.1.4 Rezepte463
8.1.4.1 Rezeptausprägungen und -hierarchien (nach NAMUR NE 33)463
8.1.4.2 Rezeptausprägungen und -hierarchien nach DIN EN 61512-1466
8.1.4.3 Aufbau von leittechnischen Grundoperationen und Steueroperationen468
8.1.4.4 Darstellungsformen469
8.1.5 Steuerungskomponenten für die Rezeptfahrweise und Verfahrenslogistik471
8.1.5.1 Teilanlagensteuerung471
8.1.5.2 Anlagensteuerung472
8.1.6 Rezeptausführung473
8.1.6.1 Bearbeitungsstände von Chargen473
8.1.6.2 Zustände von Steuerungskomponenten473
8.1.7 Bedienkonzepte475
8.1.7.1 Betriebsarten von Steuerungskomponenten475
8.1.7.2 Bedienen und Beobachten477
8.1.8 Chargendokumentation477
8.1.9 Erstellen und Pflegen von Rezepten477
8.1.9.1 Implementierung von Ausprägungen477
8.1.9.2 Erzeugung von Rezeptausprägungen478
8.2 Motion Control, Bahnsteuerungen479
8.2.1 Einführung, Begriffe479
8.2.2 Geregelte elektrische Antriebssysteme481
8.2.2.1 Grundlagen Regelung elektrischer Antriebe481
8.2.2.1.1 Dynamisches Verhalten elektrischer Antriebe481
8.2.2.1.2 Regelkonzepte elektrischer Antriebe484
8.2.2.2 Gerätetechnische Ausführung von Umrichtern für Drehstromantriebe486
8.2.2.3 Übersicht Umrichterfunktionalität487
8.2.2.3.1 Reglergrundfunktionen489
8.2.2.3.2 Kommunikations- und Schnittstellenfunktionen490
8.2.2.3.3 Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen491
8.2.3 Motion Control – Anwendungen492
8.2.3.1 Positioniersteuerung493
8.2.3.2 Synchronisierte Antriebe494
8.2.4 Grundlagen Bahnsteuerungen496
8.2.4.1 Teileprogramm und Steuerdatenaufbereitung497
8.2.4.2 Geometriedatenerzeugung498
8.2.4.3 Bahninterpolator – Trajektoriengenerierung498
8.2.4.4 Kinematische Transformationen500
8.3 NC-Technik500
8.3.1 NC-Maschinen500
8.3.2 Grundlagen der Werkstoffbearbeitung501
8.3.3 Koordinatensysteme in Werkzeugmaschinen502
8.3.4 Numerische Steuerungen504
8.3.4.1 NC-Systeme504
8.3.4.2 Programmiersprachen506
8.3.5 Fertigungssysteme508
8.3.6 Fertigungsintegration510
8.3.7 Die digitale Fabrik512
8.3.8 Ziel und Aufgaben der digitalen Fabrik513
8.4 Industrieroboter515
8.4.1 Struktur von Industrierobotern515
8.4.2 Programmierung von Robotern518
8.4.3 Sensorführung520
8.4.4 Industrielle Bildverarbeitung523
8.4.5 Anwendungsbeispiele527
8.5 Intelligente Rechnersysteme529
8.5.1 Einleitung529
8.5.2 Intelligente Maschinen530
8.5.3 Fuzzy-Logik531
8.5.3.1 Fuzzy-Sets532
8.5.3.2 Zugehörigkeitsfunktionen533
8.5.3.3 Fuzzy-Steuerungssystem534
8.5.4 Expertensysteme535
8.5.4.1 Fuzzy-Expertensysteme537
8.5.5 Neuronale Netze537
8.5.5.1 Aufbau von neuronalen Netzen537
8.5.5.2 Eigenschaften538
8.5.5.3 Lerntypen539
8.5.5.4 Datendarstellung540
8.5.5.5 Typen von neuronalen Netzen540
8.5.6 Genetische Algorithmen541
9 Projekte542
9.1 Projektmanagement542
9.1.1 Ziele542
9.1.2 Begriffe542
9.1.3 Abwicklungsphasen545
9.1.3.1 Vorgehensweise im Projekt545
9.1.3.2 Grundlagenermittlung546
9.1.3.3 Vorplanung547
9.1.3.4 Basisplanung547
9.1.3.5 Ausführungsplanung548
9.1.3.6 Errichtung551
9.1.3.7 Inbetriebsetzung551
9.1.3.8 Projektabschluss552
9.1.4 Qualitätssicherung in der Prozessleittechnik552
9.1.4.1 Begriffe552
9.1.4.2 Qualitätssicherung in der Produktion554
9.1.4.3 Validierung von Prozessen554
9.2 Verfügbarkeit und Sicherheit von PLS-Komponenten557
9.2.1 Begriffe zur Verfügbarkeit und Sicherheit557
9.2.2 Erhöhung der Verfügbarkeit von PLS-Komponenten558
9.2.2.1 Eigenüberwachung von PLS-Komponenten558
9.2.2.2 Backup- und Redundanzkonzepte560
9.2.3 Sicherung von Daten auf Rechnern562
9.2.3.1 Backup-Medien562
9.2.3.2 Organisatorische Maßnahmen für Backups563
9.2.3.3 RAID-Technologie564
9.2.4 Schutz gegen unautorisierten Zugang565
9.2.5 Schutz gegen feindliche Software (Malware)566
9.2.5.1 Malware566
9.2.5.2 Viren567
9.2.5.3 Würmer und Trojanische Pferde567
9.2.5.4 Gegenmaßnahmen568
9.3 Sicherheit570
9.3.1 Begriffe570
9.3.1.1 Sicherheit und Verfügbarkeit570
9.3.1.2 Wertebereiche von Prozessgrößen570
9.3.1.3 Erhöhung der Anlagensicherheit572
9.3.1.4 Sicherheitsanalysen573
9.3.2 Einteilung der PLT-Einrichtungen574
9.3.2.1 Klassifizierung nach VDI/VDE und NAMUR574
9.3.2.2 Darstellung der Funktionalität575
9.3.3 Überwachungseinrichtungen576
9.3.4 Schutz- und Schadensbegrenzungseinrichtungen577
9.3.4.1 Allgemeine Kriterien577
9.3.4.2 PLT-Schutzeinrichtungen578
9.3.4.3 PLT-Schadensbegrenzungseinrichtungen582
10 Anhang583
10.1 Normen und Richtlinien583
10.1.1 Normen-Auskunftszentren583
10.1.2 Normungsinstitutionen583
10.1.3 Bezeichnungen von Normen und Standards583
10.1.4 DIN-Normen584
10.1.5 VDI/VDE-Richtlinien586
10.1.6 NAMUR-Richtlinien589
10.1.7 Internationale Standards589
10.2 Gremien und Verbände590
10.3 Messen, Ausstellungen und Veranstaltungen591
10.4 Abkürzungen592
Literaturverzeichnis598
Sachwortverzeichnis614

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