Vorlesung Prozessautomatisierung Analogwertverarbeitung in SPSSystemen Ablaufsprache fr chargenbasierte

Vorlesung Prozessautomatisierung Analogwertverarbeitung in SPS-Systemen & Ablaufsprache für chargenbasierte Prozesse 26. November 2003 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Fachbereich Elektrotechnik Goebenstr. 40 66117 Saarbrücken November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 1 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Bisherige Themen Vorlesung PATT Grundlagen & Begriffe Beschreibung technischer Systeme Dokumentation / Darstellung von technischen Prozessen in Fliessbilder, R&I-Schemen, Lastenund Pflichtenheften / Projektmanagement Automatisierungssysteme mit SPS Aufbau und Funktionsweise von SPS-Systemen / Realisierung von einfachen Verknüpfungssteuerungen / Labortermin / Arbeitsweise mit SIMATIC-Manager Thema Signalaufbereichtung (Messumformer, Sensoren) heute Übersicht von Prozessgrößen und deren Messung / Temperatursensorik und Realisierung entsprechender Messaufgaben Konzepte und Realisierung von Ablaufsteuerungen / Beispiele November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 2 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Analoge Signale Analoggeber – kontinuierlich messend: • Messwerte von physikalischen Größen (z. B. Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstände, Gewicht) • Umwandlung durch "Messumformer" in elektrische Größen • Anwendung: Übertragung von Prozesswerten in Leitwarte Übliche Messgrößen in der Analogwertverarbeitung: Spannung: +-80 m. V / +- 250 m. V / +-500 m. V / +-1 V / +- 2, 5 V / +-10 V / 0 -2 V / 1 -5 V / Strom: +-3, 2 m. A / +-10 m. A / +-20 m. A / 0 -20 m. A / 4 -20 m. A Wiederstand: 150 Ohm / 300 Ohm / 600 Ohm / Messeingänge: Temperatur PT 100 Thermoelemente November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 3 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Signalverarbeitung aus der Feldebene (Thermoelement) Kommunikation mit anderen Systemen (BLE) wie SAP R/3 etc. Operator Station zentrales Bu. B Engineering Station lokales Bu. B Standard Ethernet Erweiterung mit S 7 -400 PROFIBUS oder Industrial Ethernet SIMATIC NET DP/PA - LINK S 7 -400 mit zentraler Peripherie S 7 -400 Automatisierungsysteme S 7 -300 PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA Dezentrale Peripherie PROFIBUS-DP S 5 -95 F PCS 7 Compact OS ES AS ET 200 M mit HART Baugruppe DP-Feldgeräte SIWAREX SIMOCODE SIMOVERT SIPART etc. HARTMeßumformer Quelle: Siemens November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 4 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiel für prozesstechnische Analogwertverarbeitung Temperaturmessung Aluminiumbund während Wärmebehandlung Dargestellt sind Ofensollwert sowie Materialtemperaturen im Besatz Quelle: Otto Junker Gmb. H November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 5 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Aufheizvorgänge und typische Signalverläufe Aufheizprozess in der Aluminiumindustrie: • Sollwertvorgabe (Zeitplanregelung) • Isttemperaturverlauf in Wärmebehandlungsanlage und Besatz Messung der Isttemperatur • Regelung der Ofenraumtemperatur • Regelung nach Ofen- und Materialtemperatur • Dokumentation der Materialtemperatur (Qualitätssicherung) • Dokumentation der Ofenraumtemperatur (Qualitätssicherung) • Anzeige der Ofenraumtemperatur (Schreiber, Leitwarte) Sensor: • Einfach-, Zweifach-, oder Dreifachelement (Muster) November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 6 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Signalverarbeitung Gebräuchlicher Standard für Analogwertverarbeitung: • 0 bis 10 V • 0 bis 20 m. A • 4 bis 20 m. A Für die Verarbeitung müssen also Sensorsignale durch Messumformer in solche Werte - meist durch Einsatz von Hilfsenergie – umgeformt werden. Ausgleichsleitung Culeitung Thermospannung 4 -20 m. A X 2 Messumformer, Fa. Siemens November 2003 / Prozessautomatisierung SM 331 AI 8 x 12 Bit SF Blatt 5. 7 331 34 7 KF 0 00 AB 0 Analoge Eingabebaugruppe Fa. Siemens © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Signalverarbeitung Messumformer: Trennwandler: Speisetrenner: November 2003 / Prozessautomatisierung Umwandlung Sensorsignal in Einheitssignal ( /i-Wandler) Galvanische Trennung von Einheitssignalen (i/i-Wandler) Eigensichere Spannungsversorgung von Messumformern Quelle: Strohrmann Blatt 5. 8 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Hilfsenergie wird benötigt, wenn die gelieferte Energie nicht ausreicht, um die Signalaufbereitung bzw. Ansteuerung von Stellgeräten zu betätigen. Es ist ein Zwischenschalten eines mit Hilfsenergie gespeisten Leistungsverstärkers erforderlich. Hilfsenergie ist auch dann erforderlich, wenn z. B. das Stellgerät für seine Verstellung benötigte Energie von der des Reglers abweicht (z. B pneumatischer Stellungsregler) Hilfsenergie kann sein: • Hydraulisch • Pneumatisch • elektrisch November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 9 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Hilfsenergie Art der Hilfsenergie Speisung Messsignal Pneumatisch 1, 4 bar 0, 2. . 1, 0 bar (DIN 19231) Für Sonderfälle auch höhere Drücke Hydraulisch 6. . 100. . . 600 bar Keine Übertragung von Messund Stellsignalen Öldruck wird am Stellort erzeugt Elektrisch Gleichstrom 6. . 50 VDC ± 15 VDC 0. . 20 m. A (DIN 19230) 4. . 20 m. A (DIN 19230) ± 10 V DC Für stetige Regler Elektrisch Wechselstrom 24 VAC 230 VAC 3 x 230/400 VAC Entfällt Für unstetige Regler, Schütze, Ventile, Stellantriebe und –motore November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 10 Stellsignal 24 VAC 230 VAC 3 x 230/400 VAC Bemerkungen © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Hilfsenergie Wenn möglich, wird zunehmend elektrische Hilfsenergie eingesetzt. Analoge Signalaufbereitung • Messumformer / Messwandler / Transmitter Typ „Sensorsignal“/Stromwandlung mit Hilfsenergie Typ „Sensorsignal“/Spannungswandlung mit Hilfsenergie • Messumformer / Messwandler / Transmitter Typ U/I-Wandler mit Hilfsenergie Typ I/U-Wandler mit Hilfsenergie Typ U/U-Wandler mit Hilfsenergie • Messumformer / Messwandler / Transmitter Typ U/U-Wandler ohne Hilfsenergie (Passivwandler) Typ I/I-Wandler ohne Hilfsenergie (Passivwandler) November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 11 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Signalverarbeitung Vorteil bei Einsatz von Speisegeräten: Mehrfaches Durchschleifen / Abgriff des Analogsignals zur gleichzeitigen Weiterverarbeitung möglich: Bei 4 -20 m. A: Anschaltung von bis zu 15 Geräten möglich Bei 0 -10 V: Bei RE von 100 k Anschaltung von bis zu 50 Folgegeräten Quelle: Strohrmann November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 12 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiele für Schnittstellenwandler mit Hilfsenergieversorgung: Signaleingang : Einheitssignal 0 -10 V sowie 0/4 -20 m. A Signalausgang: Einheitssignal 0 -10 V sowie 0/4 -20 m. A Hilfsenergie: Versorgung +24 VAC/VDC November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 13 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiele für Schnittstellenwandler Mehrbereichswandler mit Hilfsenergieversorgung: Signaleingang: Einheitssignal 0 -10 V sowie 0/4 -20 m. A Signalausgang: beliebig wählbar als Einheitssignal 0 -10 V; 0/4 -20 m. A Hilfsenergie: Versorgung AC/DC November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 14 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiele für Schnittstellenwandler - Passivwandler Schnittstellenwandler ohne Hilfsenergieversorgung: Signaleingang: Einheitssignal 0/4 -20 m. A Signalausgang: Einheitssignal 0/4 -20 m. A Hilfsenergie: keine November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 15 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Messwandler Messbereiche von Messwandler / Transmitter Feste Messbereiche • Messbereich ist direkt im Wandler integriert • Keine Einstellmöglichkeit • Messbereich ist auf Umformer angegeben / Datenblatt enthalten • Thermoelement Typ K (NICr-Ni-Element – 200 bis 1250°C) Parametrierbare Messbereiche (z. B. Anbieter Phoenix) • Messbereich ist am Wandler einstellbar • Anpassung an den Temperaturmessbereich möglich • Möglichst große Auflösung des Analogsignals möglich November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 16 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Anwendungsbeispiel Thermoelement Typ K: -200 bis 1300°C / -. . . m. V bis 60 m. V Auflösung des Einheitssignal bei parametrierbarem Messumformer November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 17 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Signalverarbeitung in Steuerungen (SPS) Aufbau von SPSen • Netzteil • CPU • Kommunikationsbaugruppe • Ein-/Ausgabebaugruppen (digitale & analoge Signale, Zähler & besondere Funktionsbaugruppen) Für die Signalverarbeitung externer Sensoren ist die Anschaltung an Ein-/Ausgabebaugruppen erforderlich. Quelle: Siemens November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 18 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Analoge Eingabebaugruppegrundsätzliche Eigenschaften • Analoge Signale für U, I, R, TC, RTD • Analogwerteinstellung mit vorh. Steckwürfel auf Baugr. , SWparametrierung, bzw. Verdrahtung • 20 polige Frontstecker in Schraub- und Federtechnik • Schutz der Ein- und Ausgänge bei Ziehen des Frontsteckers unter Spannung • Leistungsfähige Baugruppen • Einstellungen durch Parametrierungen, keine HW-Einstellungen mehr • Linearisierung für PT 100 und Thermoelemente inklusive -> keine Umrechnung in der CPU notwendig November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 19 SM 331 AI 8 x 12 Bit SF 331 - 7 KF 00 - 0 AB 0 X 2 34 Quelle: Siemens © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Signalverarbeitung Beispiel Temperaturmessung Feldebene Übertragung Steuerungsebene Sensor TE Typ K direkte Ankopplung SPS spezielle Eingangskarte Sensor TE Typ K Messumformer 2 -Leiter ohne Hilfsenergie SPS Eingangskarte, AE Sensor PT 100 Messumformer 3 -4 Leiter mit Hilfsenergie SPS Eingangskarte, AE Sensor TE Typ K Messumformer /Speisegerät zur eigensicheren Versorgung oder Dupplizierung des Signals SPS Eingangskarte, November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 20 AE © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Digitale binäre Signale Schaltende Sensoren liefern binäre/digitale Informationen aus der Feldebene, wie z. B: binäre Signalgeber: • Kontaktendschalter • induktive Initiatoren • kapazitive Initiatoren • Ultraschallinitiatoren • Grenzwertgeber (Druck, Temperatur, Durchfluß, Drehzahl) • Befehlsgeber (Taster, Schalter, Schlüsselschalter) Information/Status/Binäre Information, z. B: • Grenzwert erreicht (überschritten) „ 1“ Grenzwert nicht erreicht (unterschritten) „ 0“ • Binäre Signalzustände wie EIN-AUS, AUF-ZU werden logisch in 1 oder O-Werte abgebildet und steuerungstechnisch verarbeitet. November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 21 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Digitale binäre Signale Digitale Signale können direkt in einer Steuerung (SPS) über digitale Eingangskarte angeschlossen und verarbeitet werden. Übliche Signalspannungen: • 24 V DC/AC ( heute am häufigsten) • 48 V DC/AC • 60 V DC/AC • 115 V AC • 230 V AC Signalpegel bei 24 VDC • ca 20 V - 30 V entspricht „ 1“ • ca -5 V - 14 V entspricht „ 0“ November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 22 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Anschaltung von binären digitalen Signalen Feldebene Steuerungsebene +24 VDC Digitaler Eingang SPS Taster SM 331 AI 8 x 12 Bit Bei Schalten des Tasters wird das Spannungsniveau 24 VDC an den Digitaleingang gesetzt (24 VDC = logisch 1) November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 23 SF X 2 4 331 - 7 KF 003 - 0 AB 0 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Anschaltung von digitalen Signalen Feldebene Übertragung Steuerungsebene Sensor Schalter direkte Ankopplung SPS DE-Eingangskarte Sensor Füllstandssensor Auswertegerät mit Hilfsenergie SPS DE-Eingangskarte November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 24 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Signabaugruppen: Auswahlübersicht digitale Eingaben (SM 321) Digitale Eingangsbaugruppen für Siemens S 7 -Steuerung: Merkmale: unterschiedliche Spannungen 24 V DC; 120 V AC; 230 V/AC; unterschiedliche Kanalanzahl 16; 32 Kanäle zulässig für 2 Draht-BERO Namur / Ex(i)-Baugruppen Diagnose- / nicht diagnosefähige Baugruppen (Frontstecker gezogen; BG defekt; Drahtbruch; Verpolung usw. ) Quelle Siemens November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 25 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Digitale Impulssignale Digitalgeber: Absolut-/ inkremental Weggeber für Absolutwerterfassung (BCD-Gray. Code) / Drehgeber , Meßlineale; Weggeber mit Wegimpulserfassung Zahlensteller zur Wertvorgabe (BCD) Für die Auswertung von Impulssignale werden sogenannte Zählerbaugruppen eingesetzt, auf denen direkt Inkrementalgeber aufgeschaltet werden können. Auswertung: • Vor- und Rückwärtszählung • Rücksetzen der Zählung • Start-/Stop der Zählung November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 26 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Autarke Messsysteme (Gasanalysatoren) stellen Messwerte und Kon. Takte per Schnittstelle zur Verfügung. Analoge Schnittstelle (0 -10 V, 4 -20 m. A): • Übertragung von Messwerten • Übertragung von Messgerätewerten Potentialfreie Kontakte • Übertragung von am Messsystem parametrierbaren Grenzschaltpunkten • Übertragung von Statuswerten des Messsystems (Störung, etc. ) Serielle Schnittstelle (RS 232 C V. 24) Profi-Bus-Schnittstelle(RS 422/485) November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 27 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiel Temperaturmessung Fühler: Thermoelement Typ K Messbereich 0 bis 1250°C Messumformer: /i- Umformer 4 -20 m. A parametrierbarer Messbereich 100 bis 500°C SPS AE mit Strom. Schnittstelle 4 -20 m. A 4 -20 m. A Eingang interne A/D-Wandlung, 14 bit Parametrierung des Messbereiches für Analogwertverarbeitung ist erforderlich OGW: 20 m. A entspricht 500°C UGW: 4 m. A enstpricht 100°C Parametrierung mit Drahtbruch, Linearisierung November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 28 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Temperaturmesstechnik Grundlagen Temperaturmessung • Viele Anwendungen erfordern Temperaturerfassung Energieüberwachung von Materialien und Anlagen • Erfassung von Wärme (Maß für Energie) • Wärme entsteht durch ungeordnete Bewegung von kleinster Materie in Atomen/Molekühlen. Mit wachsender Temperatur nimmt die Bewegung zu • Maßeinheit der Temperatur K = Kelvin, °C = °Celsius, F = Fahrenheit • Temperatur zählt zu den Basisgrößen (SI-Einheit) • Temperatur ist neben Volumen und Druck eine der Hauptzustandsgrößen der Thermodynamik November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 29 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Temperaturmessung Kelvin-Skala: Die Einheit der Kelvin-Skala ist das Kelvin (K). Die Kelvin-Skala wird auch als Absolutskala bezeichnet, denn ihr Nullpunkt (0 K) fällt mit dem absoluten Nullpunkt zusammen, an dem, wie erwähnt, jede Molekülbewegung zum Erliegen kommt. Zur weiteren Festlegung der Skala werden noch der Gefrier- und Siedepunkt von reinem Wasser bei dem mittleren Luftdruck an der Erdoberfläche (1013, 15 h. Pa) herangezogen. Die Differenz zwischen diesen beiden Punkten wird dann in 100 Schritte (Grade) geteilt. Schließlich erhält man so den Gefrierpunkt bei 273, 15 K und logischerweise den Siedepunkt von Wasser bei 373, 15 K. Bei der Kelvin-Skala gibt es dadurch keinen Minus-Bereich. Benannt wurde die Kelvin-Skala nach dem britischen Physiker Lord Kelvin (1824 -1907), der vor seiner Adligsprechung William Thompson hieß und besonders auf dem Gebiet der Thermodynamik forschte. Von ihm (mit Anderen zusammen)stammt der bei vielen Prüfungen abgefragte zweite Hauptsatz der Thermodynamik. November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 30 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Temperaturmessung Celsius-Skala Die Celsius-Skala ist wohl die bekannteste und verbreitetste Temperaturskala und die Einheit der Celsius-Skala ist das Grad Celsius (°C). Ähnlich wie bei der Kelvin-Skala, dienen bei der Festlegung der Celsius-Skala der Gefrierpunkt und Siedepunkt von reinem Wasser (bei dem mittleren Luftdruck am Erdboden von 1013, 15 h. Pa) als Fixpunkte. Auch hier wird die Differenz zwischen diesen beiden Phasenänderungspunkten in 100 Teile geteilt. Doch im Gegensatz zur Kelvin-Skala legt man den Gefrierpunkt als Nullpunkt (0 °C) fest und somit liegt der absolute Nullpunkt (bei dem jede Molekülbewegung zum Erliegen kommt) bei -273, 12 °C und die Umrechnungsformel von Grad Celsius in Grad Kelvin lautet: Temp. in K = 273, 15 + Temp. in °C, gleiche Schrittweite (1 °C = 1 K). Den Namen Celsius-Skala verdankt diese Temperaturskala dem schwedischen Astronom Anders Celsius (1701 -1744), der zwei Jahre vor seinem Tod, also 1742, den Gedanken zu dieser Einteilung veröffentlichte. November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 31 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Temperaturmessung Fahrenheit-Skala Die Fahrenheit-Temperaturskala ist eine Temperaturskala, die derzeit in Großbritannien sowie den USA standardmäßig verwendet wird. Sie wurde 1714 von D. G. Fahrenheit eingeführt. Als unteren Fixpunkt (=0 F) der Skala wählte Fahrenheit die tiefste, bis dahin gemessene Temperatur in Danzig (sein Geburtsort) sowie als oberer Fixpunkt die Körpertemperatur des Menschen (100 F = 37, 8°C). Für die Umrechnung von Grad Fahrenheit in Grad Celsius und umgekehrt existiert immerhin einfacher, linearer Zusammenhang: T[°C] = 5/9 * (T[F]-32) T[F] = 9/5 * T[°C] + 32 November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 32 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Temperaturmessung Thermometer: • Alle Geräte und Einrichtungen, die zur Temperaturmessung eingesetzt werden, heißen Thermometer • Zusammenstellung der gebräuchlichsten Temperaturmessgeräte und -messbereiche (Richtlinie VDI/VDE 3511) • Messbereiche gängiger Sensoren -100°C bis 2000°C • Bevorzugte Messsysteme in der Praxis (VFT): Thermoelemente (Thermoelement Typ K, Ni. Cr-Ni) Widerstandselemente (PT 100) einfache, lokal anzeigende Systeme (Ausdehnungsthermometer) November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 33 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Temperaturmessgeräte und verfahren Tabelle 6. 1, Gevatter, S. 206 November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 34 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Thermoelemente / Messprinzip Seebeck-Effekt „Thermoelektrischer Effekt an Thermopaaren“ • Thermoelement erzeugt eine Thermospannung, abhängig von den verwendeten Materialien und T zwischen Mess- und Vgl. -Messstelle • Es lassen sich keine absoluten Temperaturen messen • Messpunkt ist die Verbindungstelle der beiden Materialien (verlötet, verdrillt, verschweißt, heiße Lötstelle) • Vergleichsmessstelle ist der Punkt, an dem die beiden Leiter an ein weiteres Metall (z. B. Cu) angeschlossen werden. November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 35 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Thermoelemente / Messprinzip • Es wird mit einem Thermoelement eine Differenzmessung zwischen Messstelle und Vergleichsmesstelle durchgeführt. • Für eine absolute Messung muß an der Vergleichsmessstelle eine Absoluttemperaturmessung (z. B. mit PT 100) erfolgen und diese zu dem Ergebnis der Differenzmessung hinzuaddiert werden. • Heutige Auswertesysteme (Messumformer, AE) verfügen über eine interne Vergleichsstellenkompensation, so dass eine separate Absoluttemperaturmessung nicht erforderlich ist. • Ausgleichsleitung ist zwischen Thermopaarklemmen und den Anschlussklemmen des Auswertesystems (Messumformer, AE) zu legen. Interne Vergleichsmessstelle Messstelle November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 36 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Thermoelemente / Übersicht Thermopaare DIN EN 60584 -2, IEC 584 -2 K Ni. Cr-Ni -180°C bis 1350°C bis 1100°C Gebräuchlichste Thermoelement großer Anwendungstemperaturbereich große Hysterese T Cu-Cu. Ni -250°Cbis 400°C -185°C bis 300°C Geringe Verbreitung Geeignet für niedrige Temperaturen Einsetzbar bei hoher Umgebungsfeuchte J Fe-Cu. Ni -180°Cbis 750°C 20°Cbis 700°C Häufig in Kunststoffindustrie Rostbildung, Oxidation hohen Temperaturen N Ni. Cr. Si-Ni. Si -270°C bis 1300°C bis 1100°C Geringe Verbreitung Stabiles Ausgangssignal Geeignet für häufige Temperaturwechsel E Ni. Cr-Cu. Ni -40°C bis 950°C bis 800°C November 2003 / Prozessautomatisierung größte Thermospannung Blatt 5. 37 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Thermoelemente / Farbgebung orientiert sich an verschiedenen Normen / Vereinbarungen: Typ K kann auch in der Farbkombination rot(+) und grün(-) in Deutschland angeboten werden (DIN 43713, 1991). November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 38 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Widerstandsthermometer Platin hat sich als Widerstandsmaterial zur Herstellung von Pt 100 -Temperatursensoren, für die industrielle Temperaturmessung im Temperaturbereich von -200 bis +850°C weltweit durchgesetzt. Vorteile, wie chemische Resistenz, hohe Temperaturbeständigkeit, die präzise Darstellung und gute Reproduzierbarkeit seiner thermo-elektrischen Eigenschaften, sowie die fast lineare Kennlinie haben dazu maßgebend beigetragen. Um einen universellen Austausch zu gewährleisten sind in der Europanorm EN 60 751 der elektrische Widerstand und die zulässige Abweichung in Abhängigkeit zur Temperatur, sowie der Temperaturkoeffizient für Pt 100 -Temperatursensoren definiert. Die EN 60 751 legt zwei Toleranzfelder, die Klasse "B" mit einer Abweichung z. B. bei 0°C von ± 0, 3°C und die Klasse "A" mit ± 0, 15°C fest. Zur Erfassung von Temperaturen in industriellen Prozeßabläufen reicht die Klasse "B" mit einer Abweichung von ± 0, 3 K bei 0°C aus. November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 39 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Widerstandsthermometer Anschaltungen November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 40 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Widerstandsthermometer Anschaltungen November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 41 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Eigenschaften Thermoelemente vs. Widerstandsthermometer Thermoelement Widerstandsthermometer Genauigkeit Gut Sehr gut Einsatzbereich großer Temp. -bereich Geringer Temp. -Bereich Preis preiswert (0, 25€ Messst. ) Teurer (1 € Messst. ) Messstelle Klein, punktförmig Länge des Messwiderstands Antwortzeiten Kurz Lang Vergleichsmessung Ja – erforderlich Nein Versorgung Kein Messstrom erforderlich Selbsterwärmung Tritt nicht auf Geringer Fehler Langzeitstabilität Befriedigend Ausgezeichnet Robustheit Sehr gut Gut Anschlussleitung Sonderwerkstoff Ausgleichsleitung Standardleitung November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 42 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Einsatzgebiete Kälte. Klimatech. Umgebungstemp. Kesselanlage Festkörper Widerstand X X Mantelwiderstand X X Thermoelemet Mantelthermoelement X X Winkelthermoelement November 2003 / Prozessautomatisierung Abgas Keramiköfen Metall Schmelze Fernüberwachung X X X X Blatt 5. 43 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Thermoelementspannung Tabelle Philips S. 1. A 03 November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 44 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Thermoelementspannung Linearisierung Im Rahmen der Messumformung mit Erzeugung des Einheitssignals 4 -20 m. A wird die nicht lineare Zusammenhang der Thermospannung Ausgeglichen und somit mögliche Fehler vermieden. Die Linearisierung wird direkt im Messumformer durchgeführt. Bei Einsatz ist zu prüfen, ob eine Linearisierung erfolgen soll und ob der Messumformer die Linearisierung bietet. November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 45 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Widerstandsreihe PT 100 November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 46 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Ablaufsteuerung Thema: Einführung in die Programmierung von Ablaufsteuerung mit graphischen Programmiersprachen November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 47 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Technische Prozesse / Unterschiede November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 48 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Prozessablaufbeschreibungen Steuerungstechnik bietet viele Programmiersprachen für die Realisierung von SPS-Softwareprogrammen: • Verknüpfungssteuerungen Logische Verknüpfung stehen im Vordergrund. Die Grundsprachen sind KOP, FUP und AWL. Es werden in Form von logischen Funktionen Verknüpfungen abgebildet. • Ablaufsteuerung Sequentielle Steuerungsabläufe. Zeitpunkt und Reihenfolge einzelner Prozesse sind entscheidend. Das Starten und Reihenfolge einzelner Prozessschritte umfasst logische Verknüpfungen, die wiederum mit den Grundsprachen (KOP, FUP, AWL) abgebildet werden. November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 49 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Steuerungsarten / Definitionen Verknüpfungssteuerung: Eine Verknüpfungssteuerung ist eine Steuerung, die den Signalzuständen der Eingangssignale bestimmte Signalzustände der Ausgangssignale im Sinne boolscher Verknüpfungen zuordnet (DIN 19237). Wenn Motortemperatur > 70°C und Motor läuft dann Lüfter einschalten. Verknüpfungen entsprechen logischen Aussagen, die mit Hilfe der Grundelemente (UND, ODER, NICHT) kombiniert (verknüpft) werden. November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 50 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Steuerungsarten / Definitionen Ablaufsteuerung: Eine Ablaufsteuerung ist eine Steuerung mit zwangsläufig schrittweisen Ablauf, bei der das Weiterschalten von einem Schritt auf den programmgemäß folgenden Schritt abhängig von Weiterschaltungbedingungen erfolgt (DIN 19238). Beispiel: 1. Schritt Behälter füllen 2. Bedingung: Behälter voll? 3. 2. Schritt Flüssigkeit rühren und erhitzen 4. Bedingung: 2 h bei 70°C gerührt? November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 51 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Programmiersprachen von STEP 7 (SIEMENS) Optionssoftware CFC Continous Function Chart S 7 -SCL Structured Control Language S 7 -Graph Ablaufsteuerung S 7 -Hi. Graph Zustandssteuerung AWL Anweisungsliste KOP Kontaktplan FUP Funktionsplan STEP 7 Basis Plattform mit SIMATIC Manager November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 52 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Kurzinfos zu einzelnen Steuerungssprachen KOP (Kontaktplan): • Programmierung erfolgt in Anlehnung an Stromlaufplan (Schließer, Öffner). Verknüpfung der binären Signalzustände wird durch parallele oder serielle Kontakte dargestellt. Eine Spule schließt den Pfad ab. FUP (Funktionsplan): • Programmierung erfolgt in Anlehnung an elektronische Schaltkreissymbole (Digitaltechnik). Binäre Verknüpfungen werden durch Verschalten von UND, ODER, NICHT Funktionen realisiert. AWL (Anweisungsliste): • Programmierung erfolgt in Listenform. Eine Zeile entspricht einer Anweisung mit einer Operation, die auszuführende Funktion vorgibt. Quelle: Siemens November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 53 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Was ist eine Ablaufsteuerung? Ablaufsteuerung: • Nicht im Vordergrund statische Zuordnung von Eingangs- und Ausgangssignalen • Im Vordergrund zeitliche Abfolge einzelner Prozessschritte • Jeder Schritt enthält ein oder mehrere Aktionen (z. B. Motor EIN) • Weiterschaltbedingungen in der Schrittkette (Transitionen) Prozessabhängige Weiterschaltbedingung • Bedingungen müssen hierfür erfüllt sein z. B. Transportvorgang: Türe ist geöffnet und Stellplatz nicht belegt Zusammensetzung aus logischen Verknüpfungen Zeitabhängige Weiterschaltbedingung • Bedingungen einer Zeitvorgabe (Zeitdauer) muss erfüllt sein z. B. Mischvorgang: Mischdauer von 2 min ist abgelaufen November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 54 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Zustandsbeschreibung von Stellgeräten Innerhalb von Regelungsaufgaben können Stellglieder wechselnde Zustände annehmen. Regelventile können kontinuierlich von auf <-> zu verfahren werden. Quelle: Epple, PLT Aachen November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 55 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Zustandsbeschreibung in Transitionsnetzwerken Komplexe Abläufe mit sequentiellen Charakter lassen sich gut in solchen Zustandsbeschreibungen modellieren (Objekt Modelling Technique) OMT setzt folgende Elemente ein: • Zustand Werte (Definitionsbereich) • Aktion Kurzzeitige Operationen / Änderungen / Prozesse, die zu Beginn, während und beim Verlassen des Zustandes ausgeführt werden. • Aktivität Andauernde Operation oder sequentielle Abläufe. Beschreibung in Form von Gleichungen, Ablauflogiken. • Transition Zustandsänderung, tritt ein, wenn alle Bedingungen erfüllt sind. November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 56 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiel für OMT Quelle: Epple, PLT Aachen November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 57 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Transition Ereignisgesteuerte Transition: Ablaufgesteuerte Transition: • Vorzustand ist gesetzt • Bestimmtes Ereignis • Vorzustand-Aktivität ist eingetreten terminiert • Bestimmte Bedingungen sind erfüllt Allgemein • Eine Transition wird ausgeführt, wenn der Vorzustand gesetzt ist und Transitionsbedingungen erfüllt sind. • Bei Erfüllung der Transitionsbedigung wird der Vorzustand zurückgesetzt (einschließlich Ausführung der exit-Aktionen) und der Folgezustand wird gesetzt (einschließlich der entry-Aktionen) November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 58 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Notation von Transitionen Quelle: Epple, PLT Aachen November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 59 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Steuerlogik Motorventil Quelle: Epple, PLT Aachen November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 60 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Formale Beschreibung einer Ablaufsteuerung Notation in Form von Strichen und Kastensymbolen. Transitionen enthält die Bedingungen Box enthält Anweisungen, was ist Nach Freigabe in dem betreffenden Schritt zu tun Quelle: Epple, PLT Aachen November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 61 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Formale Beschreibung einer Ablaufsteuerung Bild 16, Epple, Bild 17 Epple Quelle: Epple, PLT Aachen November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 62 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Paralleler Ablauf Simultanverzweigung entspricht einer logischen UND Verknüpfung Die Zustände 2 und Zustände 3 Werden zeitgleich durchlaufen, Wenn die Transistionsbedingung 1 erfüllt ist. Quelle: Epple, PLT Aachen November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 63 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Alternativer Ablauf Alternativverzweigung entspricht einer logischen ODER Verknüpfung Die Zustände 2 oder Zustände 3 werden abhängig von den Transitionsbedingungen durchlaufen. Es wird immer nur eine der Teilketten bearbeitet. Abweichend von der logischen ODER-Verknüpfung. Quelle: Epple, PLT Aachen November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 64 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiel klassischer Ablaufsteuerung: Chargenprozess Rezeptfahrweise mit 2 Rezepten Quelle: Uhlig November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 65 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiel Ablaufsteuerung Ablaufdiagramm Teil 1 mit Starttransition November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 66 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiel Ablaufsteuerung Teil 2 Ablaufschema entspricht der verbalen Prozess. Beschreibung und dem Verfahrensfließbild November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 67 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Beispiel 2: Dosierung von Flüssigkeiten November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 68 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Rezeptbeschreibung November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 69 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Ablaufsteuerung November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 70 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Rezeptbeschreibung Ablaufsteuerung November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 71 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Umsetzung auf SPS S 7 Ablaufsteuerung mit S 7: • Start mit Initialisierungsschritt (mehrere Bedingungen sein) • Abwechselnd werden Transitionen und Schritte durchlaufen (Ablaufkette) • Durchlauf von Verzweigungen / Simulaten Schritten • Durchlauf bis Ende erreicht oder Rücksprung auf den Start der Schrittkette erfolgt. Schrittkette • Funktionsbaustein und Datenbaustein FB steuert die Schrittkette, DB enthält die Daten • Anlegen nacheinander von Schritten und Transitionen • Jeder Schritt / jede Transition kann aus mehreren Verknüpfungen bestehen. Quelle: Siemens November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 72 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Movies zur Programmierung mit Ablaufsteuerung GRAPH (1) Quelle: Siemens November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 73 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Movies zur Programmierung mit Ablaufsteuerung GRAPH (2) Quelle: Siemens November 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 5. 74 © Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel