Automatisierungssysteme Anwendungen in der Produktionstechnik Inhalt 1 Produktionstechnik

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 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

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

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 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

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

Rezeptfahrweise Verfahrensleittechnik: Grundüberlegung der Rezeptfahrweise Zusammenhang Verfahren - Rezept Verfahrens - spezifisch Anlagen - spezifisch Strukturieren der Verfahren - leittechnische Grundoperationen, - Grundfunktionen Strukturieren der Anlage - Teilanlagen Strukturierte Verfahrensbeschreibung (Grundrezept) Strukturierte Anlagenbeschreibung - Technische Funktionen Rezeptfahrweise wird abgebildet auf: Verfahren Grundrezept Steuerrezept Verfahrens. Abschnitt Teil Grundrezept Teil Steuerrezept Leittechnische Grundoperation Steuer Operation Grundfunktion Steuerfunktion Chem. -techn. Grundoperation 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 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

Standard - Struktur zur Rezeptfahrweise Forschung Verfahrensleittechnik: Ur-Rezept Projektierung Produktionsanforderung Ur-Rezept an Maßstab u. Arbeitsweise anpassen Grund-Rezept Zuordnung GF-TA-TF GF: Grund. Funktion GO: Grund. Operation TA: Teil. Anlage TF: Teil. Funktion GO- u. GFBiliothek GO u. GF projektieren Anlagenbeschreibung Produktionsmeldung Steuer. Rezept erstellen Produktionsmeldung erarbeiten Steuerrezept Chargenprotokoll Steuer. Rezept ausführen Chargenprotokoll erstellen Stellwerte Produktionsleitebene Betriebsleitebene Prozessleitebene Istwerte Feldebene DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

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

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

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 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

Dampfkraftwerk mit Wärme - Kraft - Kopplung Energietechnik, Kraftwerksprozess: E-Filter Dampferzeuger („Kessel“) Saugzug Wäscher (REA) vereinfacht Block. Transformator Frischlüfter Luft. Staub z. B. Gips Vorz. B. 10 k. V Wärmung Turbogruppe: Frischdampf, bis 300 bar/540°C Turbine Generator Rauchgas Brennstoff - Öl / Gas, - Kohle, - Müll Fernheizung Speise. Wasser. Behälter Luft Eigenbedarfs. Transformator Schaltanlagen Kondensator Umwälzpumpe Asche Speisewasserpumpe Kondensatpumpe Wasseraufbereitung DHBW Mannheim z. B. Flusswasser Automatisierungssysteme

Energiebedarf über einen Tag Energietechnik, Kraftwerksprozess: Leistung „Spitzenlast“ -> Pumpspeicheranlagen, Gasturbinen „Fahrplan“- Last -> geregelte Anlagen, besonders Öl, Gas Zeit 0 DHBW Mannheim 6 12 18 Grundlast -> Kernkraftwerke, Kohlekraftwerke 24 h Automatisierungssysteme

Funktionale Struktur Energietechnik, Kraftwerksleittechnik: Prozessleitebene Block. Leit. Ebene Asset Management Gruppen. Leit. Ebene Lebensdauer. Berechnung „Funktionsgruppe“ (Teil der Anlage, z. B. „Frischluftvers. “) aufgeteilt in: Betriebs. Optimierung Steuerung, Regelung „Antriebsgruppe“ (Hauptantrieb + Hilfsantriebe) Vorwahl (= Betriebsautomatik) Einzel. Leit. Ebene Einzel. Bedienung Antriebs. Schutz M DHBW Mannheim M Automatisierungssysteme

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

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 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

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

Funktionelle Gliederung der Gesamtsteuerungsaufgabe Fertigungsleittechnik: Gesamt - Steuerungsaufgabe gegliedert in: z. B. für Fertigungszellen und Transferstraßen Steuerungs. Funktionen Programmier. Funktionen Diagnose. Funktionen Verwaltungs. Funktionen Organisations. Funktionen - Funktions. Steuerung (Maschinenabhängig) - Programm. Steuerung (Teileabh. ) - Steuerung. Daten. Verteilung - Programmierung der Funktionssteuerung - Programmierung der Teileabhängigen Funktionen - Maschinen. Diagnose: -Steuerung -Peripherie -Werkzeuge - Teile-abhäng. Diagnose: -Kollision -Qualitätssicherung - Aufträge - Werkzeuge - Werkstücke - Steuerdaten - Auftragsabarbeitung - Werkzeug. Speicher. Organisation - Werkzeug. Korrektur. Organisation Kommunikation extern LAN Anschluss Kommunikation intern Mess. Funktionen Bedien - und Anzeigefunkt. Betriebs - und Maschinen. Datenerfassung Datenbank - Temperatur - Körperschall - Geometrie - Menü - und Fenstertechn. - Grafik - Status - Betriebszeit - Bearbeitungszeit - Betriebsdaten - Werkzeugdat. - Steuerdaten DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

Gliederung der Steuerungstechnik Hierarchische SW - Unterteilung Physikalische Ebenen, Funktionseinheiten Funktionsblöcke System Beauftragbare Einzelfunktionen Fertigungsleittechnik: Fertigungssystem Systemablaufsteuerung Fertigungszelle 1 Einzelm. 1. . Einzelm. n Positionier. Achse Fehlerbehandlung Bahn. Achsen Interpolation . . . Lage. Regelung Fertigungszelle m Einzelm. 1. . Einzelm. n Antrieb 1. . n Antr. 1. . n Greifer 1. . n Greif. 1. . n Ventil 1. . n Anzeige 1. n Anz. 1. . n Transport Programmablauf und Funktionsblock Zellenfunktion E 4 - Maschinen - Bedienfunktion - Simulation - Auftragsverwaltung - NC - Programme Funktionsblock Programmablaufsteuerung Maschinenfunktion E 3 Ansteuerungs. Funktion E 2 Sensor / Aktor E 1 Fn Programmablaufsteuerung Fn 1 . . . Fn 1 Antriebe, Greifer, Messsystem usw. DHBW Mannheim Fn 1 . . . Fn 1 - GEO (Dateiformat) - Speicher - Bedienoberfläche - SPS - Lageregler - Positionierachsen - Messdatenvorverarbeitung Automatisierungssysteme

Informations- und Materialfluss im Unternehmen Fertigungsleittechnik: Externer Daten austausch Unternehmensplanung Langfristige Disposition, Kapazitätsbedarf, Strategie Z. B. Auftragsdaten Normteildaten Konstruktionsdaten Anforderung Auftragsabwicklung Fertigungs - und Prüfvorbereitung Entwicklung, Projektierung, Konstruktion, SW - Erstellung, Dokumentation Produktionsplanung Disposition, Kunden. Dispo- Material - u. Stammauftrag Teilewirtschaft, daten Termin- u. Auftrags. Kapazitätsplang. überwachung, Terminierung, Ferti. Ist. Test. Fakturierung gungsdaten, vorgabe auftrag, Rück. NC-Prog. Produkmeld. Fertigungssteuerung Arbeitstionsu. Überwachung, pläne daten Betriebsdatenerfassung u. Ausgabe Wareneingang Prüfung Lager Fertigung Qualitätssicherung Prüfung Qualitätsdaten Korrekturdaten Qualitätsdaten Lager Versand Material- (Teile-) Fluss DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

lokale Netze Fertigungsleittechnik: CAE Unternehmensrechner Kopplung Server Arbeitsplatzrechner Produktions. Leitebenee Unternehmensrechner CAM Prozess. Führungsebene Steuerungs / Feldebene Informationsfluss Betriebsebene PPS Kopplung Arbeitsplatzrechner Betriebsrechner Kopplung Leitrechner Zellenrechner Server CAQ Server Kopplung Zellenrechner CAP Leitrechner Zellenrechner CAM Zellenrechner Kopplung Steuerung Datenerfassung Steuerung Wareneingang Lager Datenerfassung Steuerung Vorfertigung Montage Versand Material- (Teile-) Fluss DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

Kommunikation in einer Fertigungszelle Fertigungsleittechnik: Rechner MMS Schicht 7 IEEE 802. 3 Schicht 1 Backbonebus MAP IEEE 802. 3 Schicht 1 Schicht 7 NC - Maschine SPS Schicht 7 IEEE 802. 4 Schicht 1 Companion - Standard für den Feldbus (FMS) DIN 19245 -2 Companion - Standard für Automatisierungsgeräte (PMS) Companion - Standard für SPS (PCMS) Companion - Standard für NC - Maschinen Zellbus MAP, PROFIBUS IEEE 802. 3 Schicht 1 Schicht 7 SPS Schicht 7 DIN 19245 -1 Schicht 1 Feldbus PROFIBUS DIN 19245 -1 Schicht 1 DIN 19245 -1 Schicht 7 Programmier-Gerät DHBW Mannheim Feldgerät Automatisierungssysteme

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 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

Zeit als Produktionsfaktor, Zeitvorteil als Kostenvorteil Produktentwicklungszeit Faktoren: - Produkt - Kosten, - Produkt - Qualität, - Zeit: -> Markteinführung bzw -> Auftrags - Lieferung 25. . 30 % Ergebniseinbuße Preis, Kosten Entwicklungs. Kosten + 50% Wettbewerbssituation: wesentlich abhängig von der Ausschöpfung der Unternehmenspotenziale in - Forschung / Entwicklung, - Beschaffung, - Produktion, - Vertrieb Auftragsdurchlaufzeit Kosten CIM: 5. . 10 % Ergebniseinbuße Montage Fertigung Konstruktion AV Entwicklungszeit + 6 Monate 0 Zeit 50 100% Zeitvorteil Kostenvorteil Kumulierte Erfahrung Zeit, Menge DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

Prinzip CIM: Behebung von Schwachstellen konventioneller Auftragsabwicklung Dilemma der Automatisierung: konkurrierende Ziele (wiederholte Grunddatengenerierung, sequenzielle Bearbeitung mit mangelnder Synchronisation) Produktivität Komplexität Konstruktion Arbeitsplanung Arbeitssteuerung Kosten Verkauf Fertigung, Montage Lösungsansatz: Datenintegration, Aufgabenintegration, Zeitintegration Nutzen Flexibilität Kapital. Einsatz Verfügbarkeit Flexibilität 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 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

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

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) Maßnahmen: - Dezentralisierung der Unternehmensorganisation Unternehmens- und Produktions - Strukturen: Komplexität verringern optimale Beherrschung erfordert: flexible Automatisierung (im Vorfeld und in der Produktion) - Verringerung der Arbeitsteiligkeit (Gruppenarbeit an ganzem Produkt) Aufbau Reaktions - schneller Unternehmenseinheiten mit vernetzter, paralleler Arbeitsweise - Verringerung der nicht Wert - schöpfenden Tätigkeiten DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

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 DHBW Mannheim Automatisierungssysteme

Struktur Objekt - orientiertes Leitsystem: Große Informationsmenge (um Faktor 10 gestiegen), verschiedene Nutzungsprofile. . . Instandhaltungs. Produktions. Experten. System Planungssystem System Offene Systemschnittstelle (generischer Software - Datenbus) Feldebene Prozessobjekt - Datenbasis, Editoren Messen, Steuern, Regeln Prozess- / Produkt - Abbild Archiv, Anwendungsmethoden, Parametrierung 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 DHBW Mannheim 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 Automatisierungssysteme