Steuern, regeln, automatisieren: Theorie und Praxis der Prozeßleittechnik
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| Published: |
München u.a.
Hanser u.a.
1993
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|---|---|
| adam_text | Gustaf Olsson/Gianguido Piani
Steuern, Regeln
Automatisieren
Theorie und Praxis der Prozeßleittechnik
Eine Coedition der Verlage Carl Hanser
und Prentice-Hall International
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 1
1 1 Der Rechner in der Prozeßsteuerung 1
1 2 Geschichtlicher Überblick 5
1 3 Systeme 8
1 4 Einige Typische Anwendungen von Prozeßrechnern 9
1 5 Leitfaden für den Leser 12
2 Allgemeine Problematik der Prozeßrechner 18
2 1 Echtzeitprozeßsteuerung 18
211 Beispiel: Spritzgießwerkzeug 19
212 Steuerung mittels konvenüoneller Programmierung 20
213 Steuerung mittels Interrupts 23
2 2 Der Einsatzbereich von Prozeßrechnern 26
221 Binäre und Ablauf-Steuerung 26
222 Ein einfacher Regelkreis: der Temperaturregler 27
223 Erzeugung des Sollwertes 28
224 Die Wechselwirkungen mehrerer Größen 29
225 Verknüpfte Systeme 30
226 Zeitkritische Arbeitsabläufe 30
227 Die Komplexität des Prozeßleitproblems 31
2 3 Leistungsumfang des Prozeßrechners 34
2 4 Fallstudien 38
2 5 Zusammenfassung 41
3 Systembeschreibung 43
3 1 Modelle für die Steuerung 44
311 Modellarten 44
312 Die Zeitskala dynamischer Modelle 46
313 Die Modellierung dynamischer Systeme 47
314 Die Modellierung von diskreten Ereignissen 48
3 2 Grandlegende Aspekte dynamischer Systeme 49
321 Mechanische Systeme 49
322 Elektrische und magnetische Kreise 52
XII
Inhaltsverzeichnis
323 Erhaltung der Masse 59
324 Gleichungen Uber die Erhaltung von Energie 63
3 3 Zeitkontinuierliche dynamische Systeme 64
331 Die Problemlösung im Zeit- und Frequenzbereich - Eine
historische Betrachtung 64
332 Die Zustandsgrößendarstellung 66
333 Lineare Systeme in Zustandsform 68
334 Ein/Ausgangsbeziehungen 69
335 Die Gültigkeit von linearen Modellen 72
336 Nichtlineare Systeme 74
337 Numerische Simulation dynamischer Systeme 76
3 4 Zeitdiskrete dynamische Systeme 79
341 Zustandsbeschreibung 79
342 Die diskrete Ein/Ausgangsbeziehung und der q-Operalor 80
3 5 Steuerbarkeit, Schätzung und Beobachtbarkeit 82
351 Steuerbarkeit 82
352 Zustandsschätzung aus den Meßwerten 83
3 6 Systeme mit Ungenauigkeiten 87
361 Zustandsschätzung bei stochastischen Störungen 88
362 Fuzzy-Systeme 90
3 7 Sequentielle Schaltungen 93
3 8 Zusammenfassung 96
Der Ein- und Ausgang des physikalisch-technischen Prozesses 100
4 1 Die Bestandteile der Prozeßschnittstelle 101
411 Meßdatenerfassung 101
412 Aktoren 102
413 Bandbreite und Störungen 103
414 Die Signalaufbereitung und-Übertragung 104
4 2 Sensoreigenschaften 104
421 Absolute und relative Genauigkeit 105
422 Dynamische Eigenschaften 107
423 Statische Eigenschaften 108
424 Nichtlinearitäten 109
,425 Impedenzeigenschaften 109
426 Wahl der Ein/Ausgangsimpedanzen 111
4 3 Analoge Sensoren 111
431 Bewegungssensoren 112
Inhaltsverzeichnis XIII
432 Kraft-, Druck- und Drehmomentsensoren 115
433 Temperatursensoren 117
434 Durchflußsensoren 120
435 Chemische und biochemische Messungen 123
4 4 Binäre und digitale Sensoren 124
441 Elektrische Lagesensoren 124
442 Punktsensoren 127
443 Pegelsensoren (Füllstandmesser) 127
444 Digitale Sensoren, Feldbussensoren 128
4 5 Signalübertragung 129
451 Signalaufbereitung mit Operationsverstärkern 129
452 Elektrische Leiter 132
453 Elektrische Störungen 135
454 Signalerdung 138
455 Signaltypen: Spannungs-, Shorn, Lichtsignale 141
4 6 Elektische Antriebssysleme 144
461 Verstärker 144
462 Geschwindigkeits- und Lagesteuerung 145
463 Schrittmotoren 148
464 Gleichstrommotoren 149
465 Asynchrone und synchrone Motoren 149
4 7 Binäre Aktoren 150
471 Schalter 151
472 Die Ausschaltung einer induktiven Last 153
4 8 Zusammenfassung 154
5 Die Signalverarbeitung 157
5 1 Die Abtastung analoger Signale 157
511 Die Bestandteile der Rechnerschnittslelle 157
512 Multiplexer 158
513 Das Abtastverfahren 160
514 Die Wahl der richtigen Abtastrate 161
5 2 Wandlung zwischen analogen und digitalen Signalen 167
521 Digital/Analog-Wandlung 167
522 Analog/Digital-Wandlung 169
5 3 Analoge Filterung 173
531 Tiefpaßfilter erster Ordnung 173
532 Tiefpaßfilter höherer Ordnung 176
XIV Inhaltsverzeichnis
533 Hochpaßfilter 177
5 4 Digitale Filterung 180
541 Die allgemeine Struktur digitaler Filter 180
542 Digitale Tiefpaßfilter 180
543 Digitale Tiefpaßfilter höherer Ordnung 185
544 Digitale Hochpaßfilter 186
5 5 Grundsätzliche Meßdatenverarbeitung 189
551 Tests und Alarme 189
552 Skalierung und Linearisierung 191
553 Weitere Bearbeitungen 191
554 Eine Datenstruktur für Meßsignale 192
5 6 Zusammenfassung 192
6 Bussysteme 194
6 1 Von CPU-orientierten zum bus-orientierten Systementwurf 194
6 2 Struktur und Arbeitsweise von Bussystemen 198
621 Allgemeines 198
622 Mechanische Konstruktion 200
623 Die Elektronik der Busschniltsielle 203
624 Die elektrische Busschnittstelle 208
625 Der Bus-Betrieb 210
626 Synchrone Datenübertragung 211
627 Asynchrone Datenübertragung 212
628 Blockdatenübertragung und Direct Memory Access (DMA) 214
629 Interrupt-Behandlung 215
6 2 10 Bus-Arbitrierung 217
6 3 Der Bau eines Bussyslems 218
6 4 Der VMEbus (IEEE 1014) 219
641 Allgemeine Eigenschaften 219
642 Datenübertragung 219
643 Prioritäts-Interrupt 222
644 Bus-Master-Arbitrierung 223
645 Hilfsleitungen 224
646 VMEbus-Erweiterungen 224
6 5 MULTIBUS H (ANSI/IEEE 1296) 225
651 Allgemeine Eigenschaften 225
652 Grundbetrieb 227
653 Datenübertragung 228
Inhaltsverzeichnis XV
654 Interrupt-Behandlung 229
655 Interconnect Space 229
6 6 Weitere Bussysteme 229
661 Der IBM-PC Bus 229
662 MicroChannel 231
663 EISA 232
664 NuBus(IEEE 1196) 233
665 Multibus I (IEEE 796) 233
666 STD (IEEE 961) 233
667 S-100 (IEEE 696) 234
6 7 Bussysteme im Vergleich 234
6 8 Zusammenfassung 237
7 Betriebssysteme und Echtzeitprogrammierung 240
7 1 Allgemeine Programmierungskonzepte 240
711 Programme und Prozesse 240
712 Parallelprogrammierung, Multiprogrammierung und
Multitasking 243
7 2 Die Verwaltung der Betriebsmitteln 244
721 Die Funktion des Betriebssystems 244
722 Die Verwaltung der CPU und die Prozeßzustände 246
723 Verfahren für die Prozeßauswahl 249
724 Die Verwaltung des internen Speichers 250
7 3 Der gegenseitige Ausschluß, kritische Abschnitte und Verklemmungen 253
731 Der Schutz und die Verwaltung von Betriebsmitteln 253
732 Der gegenseitige Ausschluß 255
733 Kritische Abschnitte 260
734 Verklemmungen 261
7 4 Prozeßsynchronisation: Semaphore und Events 263
741 Semaphore 263
742 Synchronisation 265
743 Event-Variablen 266
744 Ein Beispiel für den Betriebsmittelschutz: der bounded buffer 269
7 5 Die Interprozeßkommunikation 270
751 Gemeinsame Speicherbereiche 270
752 Monitore 271
753 Mailboxen 272
754 Die Pipes 273
Inhaltsverzeichnis
755 Das Rendezvous 274
756 Vergleich zwischen den Methoden der Synchronisation und
Kommunikation 274
7 6 Methoden für die Echtzeitprogrammierung 275
761 Programmstruktur 275
762 Prioritäten 277
763 Die Behandlung von Interrupts und Exceptions 278
764 Die internen Funktionen von Betriebssystemen 280
765 Zeitbezogene Funktionen und Zeitfehler 282
766 Testen und Debugging 283
767 Die Programmierungsumgebung 285
7 7 Sprachen und Betriebssysteme fiir die Echtzeitprogrammierung 286
771 Anforderungen an Echtzeitsprachen und-betriebssysteme 286
772 Die Programmiersprache ADA 288
773 BASIC 289
774C und C++ 289
775 FORTRAN 290
776 Pascal und Modula-2 291
777 PEARL 291
778 Das Betriebssystem UNIX 292
779 OS-9 293
7 7 10 VAX/VMS 294
7 7 11 MS-DOS 295
7 8 Zusammenfassung 296
Kombinatorische und sequentielle Steuerung 298
8 1 Elementare Schaltalgebra 299
811 Notation 299
812 Grundlegende Schalttheorie 299
813 Weitere Verknüpfungen 302
814 Sequentielle Schaltungen und Flipflops 307
815 Realisierung von Schaltungen 309
8 2 Darstellung logischer Funktionen mit Hilfe von Kontaklplänen 312
821 Hauptmerkmale 312
822 Sequentielle Schaltungen 314
8 3 Speicherprogrammierbare Steuerungen 316
831 Hauptstruktur 316
832 Grundlegende Befehle und Bearbeitung 318
833 Zusätzliche Befehle für SPS 322
Inhaltsverzeichnis XVII
834 Programmierung einer SPS 322
835 Die Device Description Language (DDL) 323
8 4 Ablaufsprachen für die SPS-Programmierung 324
841 Die Darstellung komplexer Ablaufsteuerungen in Form von
Ablaufplänen 324
842 Realisierung von Ablaufsprachen auf Rechnern 329
843 Anwendung des Funktionsplans in einem praktischen Beispiel
für die industrielle Steuerung 330
8 5 Zusammenfassung 334
9 Digitale Regelung 336
9 1 Zeitkontinuierliche und zeitdiskrete Regler 337
911 Abgetastete Signale 337
912 Kontinuierlicher und diskreter Reglerentwurf 337
9 2 Zweipunktregelung 339
9 3 Analoge Regelkreise 340
931 Einfache Regelkreise 341
932 Führungsregelung 342
933 Allgemeine Form des Führungsreglers 343
934 Aufschaltung von Lasländerungen und Prozeßstörungen 347
935 Zusammenfassung über die Hauptregelungsarten 350
9 4 Analoge PID-Regler 352
941 Die Grundform des PID-Reglers 352
942 Differenzierung des Meßsignals 355
943 Serielle Darstellung des PID-Reglers 356
944 PIPI-Regler 357
945 Andere Parametrisierungen des PID-Reglers 358
9 5 Die praktische Realisierung des PID-Reglers 358
951 Diskretisierung des PID-Reglers 359
952 Die Wahl der Abtastrate in Regelungssystemen , 361
953 Begrenzungen des Stellsignals 362
954 Verhinderung von Aufintegrieren 363
955 Stoßfreie Umschaltung von Hand- auf Automatikbetrieb 366
956 Begrenzung der Änderungsrate des Stellsignals 367
957 Berechnungsaspekte 368
958 Algorithmus des PID-Reglers 370
959 Realisierung mit anwendungsorientierten Sprachen 371
9 6 Regelstrukturen auf der Basis von PID-Reglem 373
XVIII_________ Inhaltsverzeichnis,
961 Kaskadenregelung ^
962 Umschaltregelung ^75
9 7 Die Leistungsgrenzen von PID-Reglem ^76
971 Zeitverzßgemngen ^76
972 Komplexe Dynamik 31$
973 Voraussehbare Parameieränderungen - Gain-scheduling 380
974 Unbekannte Parameteränderungen - Selbsteinstellende Regelung 381
9 8 Der allgemeine diskrete Regler 382
981 Kurzbeschreibung des allgemeinen Reglers 383
982 Die Eigenschaften des allgemeinen Reglers 384
983 Sonderfälle des allgemeinen Reglers 387
984 Verschiedene Ausdrücke für die Reglergüte des diskreten
Reglers 390
9 9 Die praktische Realisierung des allgemeinen Reglers 391
991 Aktualisierung der Parameter 392
992 Verhinderung des Aufintegrierens 392
9 93 Stoßfreie Umschaltung Hand/Automatik 394
994 Berechnungsaspekte 394
996 Allgemeiner Regleralgorithmus 395
9 10 Zustandsregler 399
9 11 Zusammenfassung 400
9A Diskretisierung des PID-Reglers 403
1# Die digitale Datenübertragung 407
10 1 Infonnation und Kommunikation 408
10 1 1 Was ist Information? 408
10 13 Kommunikation 409
10 13 Ein Modell für den Kommunikationsprozeß 410
10 1 4 Quantitative Aspekte der Kommunikation 412
10-2 Das Modell Open Systems Interconnection (OSI) 415
103 1 Die unterschiedlichen Anforderungen an die Datenübertragung 415
10 23 Die Grundlagen des Modells Open Systems Interconnection 416
1033 Virtuelle Geräte 421
103 Die physikalische Verbindung (OSI-Physikalische Schicht) 423
103 1 Elektrische Leiter 423
1033 Bit-Codierung (Leitungscodes) 424
10 33 Trägermodulation 426
10 3 4 Zeitsynchronisierung 429
Inhaltsverzeichnis XIX
10 3 5 Der Schnittstellenstandard EIA-232-D 430
10 3 6 Die Mehrpunkt-elektrische Schnittstelle RS-485 434
10 4 Kommunikationsprotokolle 435
10 4 1 Die OSI-Sicherungsschicht 435
10 4 2 Virtuelle Kanäle und Multiplexverfahren 435
10 4 3 Fehlererkennung und -behebung 437
10 4 4 Zeichenorientierte Protokolle 439
10 4 5 Bitorientierte Protokolle 440
10 4 6 Blockorientierte Protokolle 441
10 5 Lokale Netzwerke 442
10 5 1 Kommunikationsnetzwerke 442
10 5 2 Das IEEE-802 3-Netzwerk (Ethernet) 444
10 5 3 Das 1EEE-802 4 Netzwerk (Token Bus) 448
10 5 4 Das IEEE-802 5-Netzwerk (Token Ring) 449
10 5 5 Die höheren OSI-Schichten (Schicht 3 bis 7) 450
10 6 Die Kommunikation in der Prozeßsteuerung und -Überwachung 452
10 6 1 Die hierarchische Struktur der technischen Prozesse 452
10 6 2 Der Informationsfluß in der Prozeßsteuerung 453
10 6 3 Das Manufacturing Automation Protocol (MAP) 456
10 6 4 Das Manufacturing Message Specification (MMS) 458
10 7 Feldbusse 460
10 7 1 Eine Lösung für die Kommunikation auf der Feld- und
Prozeßebene 460
10 7 2 PROFIBUS 461
10 7 3 FIP 463
10 7 4 Bitbus 465
10 7 5 Zukunftsaussichten für einen allgemeinen Feldbus-Standard 466
10 8 Kommunikation auf öffentlichen Netzen 467
10 8 1 Das Telefonnetz und der Modem 467
10 8 2 Digitale Netzwerke 468
10 8 3 Das Integrated Systems Digital Network (ISDN) 470
10 9 Zusammenfassung 471
11 Die Mensch-Maschine-Schnittsteile 474
11 1 Die Mensch-Maschine-Schnittstelle als Bestandteil der Prozeßleitung 474
11 2 Psychologische Modelle 477
11 2 1 Das kognitive Modell 477
11 2 2 Die Theorie des dualen Gedächtnisses 479
XX Inhaltsverzeichnis
11 2 3 Fehler 481
11 3 Das komplexe System aus der Sicht des Benutzers 483
11 3 1 Syntaktische Kenntnisse und semantisches Wissen 483
11 3 2 Mentale Modelle von komplexen Systemen 484
11 4 Die Hardware für die Mensch-Maschine Schnittstelle 486
11 5 Allgemeine Prinzipien für den Entwurf der Mensch-Maschine-
Schnittstelle 489
11 6 Der Entwurf der Mensch-Maschine-Schniltstelle 491
11 6 1 Verwendung der Sprache 491
11 6 2 Codierung 493
11 6 3 Prozeßdarstellung 495
11 6 4 Entwurf einer Bildschirmdaistellung 498
11 6 5 Die Befehlseingabe 502
11 6 6 Menüs 505
11 6 7 Moderne Tools 505
11 6 8 Prototyping und Evaluation 506
11 7 Die Anpassung der verschiedenen Komponenten der Mensch-Maschine-
Schmttslelle 508
11 8 Nonnen und Standards 511
11 9 Zusammenfassung 512
12 Systemintegration 514
12 1 Die Strukturierung von Prozeßleitsystemem - ein historischer Überblick 515
12 2 Die Integration von Prozeßleitsystemen 516
12 2 1 Integrationsebenen 516
12 2 2 Systemintegration durch Baugruppen 519
12 2 3 Schnittstellenentwurf 521
12 2 4 Wahl der Integralionsebene 522
12 3 Zuverlässigkeit 523
12 3 1 Die Zuverlässigkeit von Maschinen 523
12 3 2 Modelle für die Berechnung der Zuverlässigkeit 523
12 3 3 Zuverlässigkeit von Prozeßleitsystemen 525
12 3 4 Die Zuverlässigkeit der Software 526
12-4 Die Funktionen eines Prozeßleitsystems 528
12 4 1 Prozeßüberwachung 528
12 4 2 Prozeßsteuerung 529
12 4 3 Automatische RUckkopplungssteuerung 529
Inhaltsverzeichnis XXI
12 4 4 Eine Datenbank für die Prozeßüberwachung und-Steuerung 530
12 4 5 Datenbankzugriff, Abfragen und Protokolle 535
12 4 6 Steuerungsoperationen durch die Prozeßdatenbank 539
12 4 7 Sprachen für die Prozeßsteuerung 540
12 5 Projektdurchführung und Qualitätssicherung 541
12 5 1 Projektorganisation 541
12 5 2 Die Qualitätssicherung als Teil der Systementwicklung 543
12 5 3 Auf dem Weg zur vollautomatisieiten Fabrik? 544
12 6 Zusammenfassung 546
Normungs- und Standardisierungsorganisationen 549
Abkürzungen 554
Literaturverzeichnis 556
Sachwortverzeichnis 565
|
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| author | Olsson, Gustaf Piani, Gianguido |
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| discipline | Mess-/Steuerungs-/Regelungs-/Automatisierungstechnik / Mechatronik |
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