Automatisierungstechnik: Theoretische und gerätetechnische Grundlagen, SPS

413 Pages·1996·11.29 MB·German

by  Prof.Dr.-Ing.habil. Helmut Reinhardt (auth.)

Springer-Lehrbuch
Springer
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Santa Clara
Singapur
Tokio
Helmut Reinhardt
Automatisierungstechnik
Theoretische und geratetechnische
Grundlagen, SPS
Mit 161 Abbildungen
Springer
Prof. Dr.-Ing. habil. Helmut Reinhardt
WeckenbergstraBe 11 a
51643 Gummersbach
ISBN-13: 978-3-540-60626-0 e-ISBN-13: 978-3-642-61435-4
DOl: 10.1007/978-3-642-61435-4
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Reinhardt, Helmut:
Automatisierungstechnik : theoretische und geratetechnische Grundlagen, SPS 1 Helmut Reinhardt.
Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hong Kong; London; Mailand ; Paris; Tokyo:
Springer, 1996
(Springer-Lehrbuch)
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1996
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Vorwort
Das Buch wendet sich an FH - und TH/TU -Studenten der Automatisie
rungstechnik sowie verwandter Studienrichtungen der Ingenieurwis
senschaften und der Informatik. Es behandelt in zusammenhangender
Weise und in einheitlicher Darstellung die Grundlagen wesentlicher
Teilgebiete der Automatisierungstechnik. Das Buch will nicht nur
"Mindestwissen" vermitteln, sondern insbesondere das Denken in Zu
sammenhangen fordern. Darauf aufbauend konnen die einzelnen Teil
gebiete spater gezielt vertieft werden. Die Kapitel-Gliederung weist die
gleichrangige Berucksichtigung theoretischer und technischer Grund
lagen aus.
- Kap. 1: Einleitung
- Kap. 2: Grundlagen der Regelungs- und Steuerungstechnik
- Kap. 3: Regelungstechnik
- Kap. 4: Experimentelle ProzeBanalyse
- Kap. 5: Steuerungstechnik
- Kap. 6: Geratetechnische Grundlagen der ProzeBdatenverarbeitung
- Kap. 7: Programmtechnische Grundlagen der ProzeBdatenverarbeitung
- Kap. 8: Speicherprogrammierbare Steuerungen
Folgende Merkmale charakterisieren das einffihrende Lehrbuch:
1. Mit der einheitlichen Beschreibung wird vermieden, daB die genannten Teil
gebiete einerseits wie ublich voneinander getrennt - somit ohne gegensei
tigen Bezug - und andererseits unterschiedlich dargestellt werden. Zum Bei
spiel beschreiben regelungstechnische Bucher die Regelstrecke mit x = f(y),
wahrend der gleiche Sachverhalt in Schriften zur experimentellen ProzeB
analyse/Systemidentifikation oft mit der Funktion y = f(x) - d.h. umge
kehrt! - ausgedruckt wird.
2. Alle verwendeten Begriffe, Formelzeichen und Symbole beziehen sich auf
die aktuellen DIN-Norm en. Hervorzuheben ist die umfassende Beruck
sichtigung der 1994 neuerschienenen DIN 19226 zur "Regelungs- und
Steuerungstechnik".
3. Zahlreiche Beispiele und Hinweise sorgen fur Verstandlichkeit sowie An
schaulichkeit; sie sichern zugleich den so wichtigen Praxisbezug. Der
schnelle Zugriff auf andere Buchabschnitte wird durch viele Querverweise
ermoglicht.
VI Vorwort
4. Heute verfligbare PC-Software (z.B. zur Systemidentifikation von Regel
strecken, zur Programmierung von SPS oder zur Anwendung moderner
Konzepte wie etwa der "Fuzzy Logic") ist in die Darstellungen einbezogen.
5. Die Programmierung von SPS wird am Beispiel der weitverbreiteten Gerate
reihe SIMATIC S5 behandelt. Am Buchende befindet sich eine kommentierte
Operationsliste fur die Automatisierungsgerate. S5 -1 OOU (CPU 103) und
S5-135U (CPU 928).
Das Buch ist aus Lehrveranstaltungen entstanden, die ich liber viele Jahre hin
weg an einer Technischen Universitat und an einer Fachhochschule gehalten
habe. Mein Dank richtet sich aber nicht nur an meine ehemaligen und gegen
wartigen Kollegen flir viele anregende Diskussionen, sondern auch an alle
Studenten, die mit konstruktiven Fragen und Hinweisen zur Verbesserung der
Stoffauswahl sowie Methodik beigetragen haben.
Insbesondere mochte ich aber meiner Familie - vor allem meiner Frau
Katrin - sehr herzlich flir das geduldige Verstandnis danken, das mir wahrend
der Bearbeitungsphase des Manuskriptes zuteil geworden ist.
Flir ihre Mithilfe bei der Erstellung von Computergraphiken fur Projek
tionsfolien, die als Vorlagen flir die Abbildungen des Buches verwendet wur
den, gilt mein Dank den Studenten Ralf Gangloff und Mario Meiger sowie
Herrn Dipl.-Ing. Axel Kuhn. 1m Springer-Verlag fand das Publikationsvor
haben von Beginn an das fordernde Interesse des Verlagsleiters flir Physik,
Technik und Informatik, Herrn Dr. Hubertus v. Riedesel. Ich danke gleicher
maBen dem Technik -Lektor, Herrn Dr. Dietrich Merkle, fur wertvolle Anre
gungen und Gestaltungshinweise.
Gummersbach, im Oktober 1995 H. Reinhardt
Inhaltsverzeichnis
Teil 1 Automatisierungstechnik -
eine grundlegende Ingenieurwissenschaft . . . . . . . . . . 1
1 Einleitung ............................................ . 3
1.1 Einordnung der Automatisierungstechnik ................. . 3
1.1.1 Ziele und Entwicklungstrends der Automatisierungstechnik .. 3
1.1.1.1 ProzeBautomatisierung und Betriebsgewinn ............... . 3
1.1.1.2 Zielstellungen der ProzeBautomatisierung ................. . 5
1.1.1.3 Automatisierungstechnik und Industriegesellschaft ......... . 5
1.1.2 Automatisierungstechnik und Informatik ................. . 7
1.1.2.1 Materie-, Energie- und Informationsstrom ................. . 7
1.1.2.2 Software in der Automatisierungstechnik .................. . 9
1.1.2.3 Computer Aided Engineering (CAE) ...................... . 11
1.2 Anwendung der Automatisierungstechnik ................. . 12
1.2.1 Hauptfunktionen der Automatisierungstechnik ............ . 12
1.2.1.1 ProzeBiiberwachung .................................... . 12
1.2.1.2 ProzeBsicherung ....................................... . 13
1.2.1.3 ProzeBstabilisierung ... ................................ . 14
1.2.1.4 ProzeBfiihrung ......................................... . 14
1.2.1.5 ProzeBoptimierung .................................... . 15
1.2.2 Anwendungsbereiche der Automatisierungstechnik ......... . 16
1.2.2.1 Automatisierung technischer Prozesse .................... . 16
1.2.2.2 Nichttechnische Anwendungen der Automatisierungstechnik . 19
Teil 2 Theoretische Grundlagen der Automatisierungs-
technik .............................................. 21
2 Grundlagen der Regelungs-und Steuerungstechnik ........ . 23
2.1 Einfiihrung ..................... , ....... , .......... , .. . 24
2.1.1 Funktionelle Betrachtungsweise .......................... . 24
2.1.2 Begriffe der Regelungs- und Steuerungstechnik ............ . 26
2.1.2.1 System ............................................... . 26
VIII Inhaltsverzeichnis
2.1.2.2 GroBe ................................................ . 27
2.1.2.3 ProzeB und Modell ..................................... . 28
2.1.2.4 Wirkungsplan ......................................... . 28
2.1.2.5 Regelung ............................................. . 29
2.1.2.6 Steuerung ............................................ . 29
2.1.3 Informationen und Signale .............................. . 30
2.1.3.1 Information ........................................... . 30
2.1.3.2 Signal ................................................ . 31
2.1.3.3 Signaleinteilung ....................................... . 32
2.1.4 Graphische Symbole und Kennbuchstaben ................ . 34
2.1.4.1 Symbole .............................................. . 34
2.1.4.2 Kennbuchstaben ....................................... . 35
2.2 Mathematische Beschreibung stetig wirkender Systeme ..... . 36
2.2.1 Statische Beschreibung ................................. . 37
2.2.1.1 Linearisierung der Kennlinie ............................ . 37
2.2.1.2 Typische Nichtlinearitaten .............................. . 38
2.2.2 Dynamische Beschreibung linearer zeitinvarianter Systeme .. . 39
2.2.2.1 Lineare Ubertragungsglieder ............................ . 39
2.2.2.2 Testsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............. . 39
2.2.2.3 Sprungantwort und Ubergangsfunktion ................... . 41
2.2.2.4 Frequenzgang und Ortskurve ............................ . 42
2.2.2.5 Differentialgleichung ................................... . 45
2.2.2.6 Ubertragungsfunktion ................................. . 47
2.2.2.7 Zusammenhange zwischen den Beschreibungsformen ...... . 50
2.2.2.8 Weitere Beschreibungsformen ........................... . 52
2.2.3 Ubersicht der linearen Grundglieder ...................... . 53
2.2.3.1 P-Glied ................... : ........................... . 53
2.2.3.2 I-Glied ............................................... . 55
2.2.3.3 D-Glied .............................................. . 55
2.2.3.4 Tt-Glied .............................................. . 55
2.2.3.5 T1-Glied .............................................. . 56
2.2.3.6 TrGlied .............................................. . 56
2.2.4 Grundstrukturen des Wirkungsplanes .................... . 57
2.2.4.1 Reihenstruktur ........................................ . 57
2.2.4.2 Parallelstruktur ....................................... . 58
2.2.4.3 Kreisstruktur ......................................... . 59
3 Regelungstechnik ...................................... . 61
3.1 Elemente des Regelkreises ............................... . 61
3.1.1 Struktur und GroBen des Regelkreises .................... . 61
3.1.1.1 Struktur des EingroBen-Regelkreises ..................... . 61
3.1.1.2 Erlauterung der GroBen des Regelkreises .................. . 63
3.1.1.3 Stell-und Storverhalten der Strecke ...................... . 64
3.1.2 Regelstrecken mit Ausgleich (P-Strecken) ................. . 65
3.1.2.1 Strecke mit Ausgleich O. Ordnung, P-To-Strecke ............ . 66
Inhaltsverzeichnis IX
3.1.2.2 Strecke mit Ausgleich 1. Ordnung, P-TcStrecke ............ . 66
3.1.2.3 Strecke mit Ausgleich 2. und hoherer Ordnung, P-Tn-Strecke .. 67
3.1.2.4 Strecke mit Totzeit, TcStrecke ........................... . 68
3.1.2.5 Strecke mit Ausgleich i-ter Ordnung und Totzeit, P-Ti-TcStrecke. 68
3.1.3 Regelstrecken ohne Ausgleich (I-Strecken) ................ . 69
3.1.3.1 Strecke ohne Ausgleich O. Ordnung, 1-To-Strecke ........... . 70
3.1.3.2 Strecke ohne Ausgleich 1. Ordnung, I-TcStrecke ........... . 70
3.1.3.3 Strecke ohne Ausgleich i-ter Ordnung und Totzeit,
1-Ti-TcStrecke ......................................... . 71
3.1.4 Grundanteile und Arten linearer RegIer ................... . 72
3.1.4.1 P-Anteil, P-Regler ...................................... . 72
3.1.4.2 1-Anteil, I -RegIer ...................................... . 73
3.1.4.3 D-Anteil .............................................. . 74
3.1.4.4 PI-RegIer ............................................. . 75
3.1.4.5 PD-Regler ............................................ . 77
3.1.4.6 PID-Regler ............................................ . 77
3.1.5 Technische Ausfiihrung und Benennung der RegIer ......... . 78
3.1.5.1 Konventionelle Ausfiihrung ............................. . 78
3.1.5.2 Rechnergestiitzte Ausfiihrung ........................... . 79
3.1.5.3 Weitere Regelalgorithmen ............................... . 80
3.1.5.4 Benennung und Einteilung der RegIer .................... . 80
3.2 Linearer Regelkreis .................................... . 81
3.2.1 Obertragungsfunktionen ............................... . 81
3.2.1.1 Angriffsort der StOrgrofie ............................... . 81
3.2.1.2 Fiihrungs-und Storungsverhalten des Regelkreises ......... . 82
3.2.2 Arten der Regelung .................................... . 85
3.2.2.1 Beanspruchungsarten des Regelkreises .................... . 85
3.2.2.2 Einschwingverhalten ................................... . 86
3.2.3 Stabilitat des Regelsystems .............................. . 87
3.2.3.1 Charakterisierung des Stabilitatsproblems ................. . 87
3.2.3.2 Losung der charakteristischen Gleichung .................. . 88
3.2.3.3 Stabilitatskriterien ..................................... . 90
3.2.4 Typische Strecke-Regler-Kombinationen .................. . 94
3.2.4.1 Komplexer und reeller Regelfaktor ....................... . 94
3.2.4.2 P-Regler an P-Strecke ................................... . 95
3.2.4.3 P-Regler an I-Strecke ................................... . 97
3.2.4.4 I-RegIer an P-Strecke ................................... . 99
3.2.4.5 Zusammenfassung ..................................... . 100
3.2.5 Einstellung und Optimierung von Regelkreisen ............ . 102
3.2.5.1 Giite der Regelung ..................................... . 102
3.2.5.2 Frequenzkennlinienverfahren ........................... . 103
3.2.5.3 Wurzelortsverfahren ................................... . 105
3.2.5.4 Parameteroptimierung mittels Integralkriterien ............ . 107
3.2.5.5 Betragsoptimierung .................................... . 109
3.2.5.6 Verwendung von Einstellregeln .......................... . 110
3.2.5.7 Nutzung des rechnergestiitzten Entwurfs .................. . 112
X Inhaltsverzeichnis
3.3 Ausgewahlte Formen von EingroBen-Regelkreisen .......... . 114
3.3.1 Mehrschleifiger Regelkreis ........................... ... . 114
3.3.1.1 Zielstellung ...................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . 114
3.3.1.2 Regelkreis mit StorgroBenaufschaltung ................... . 115
3.3.1.3 Kaskadenregelung ..................................... . 117
3.3.2 Regelkreis mit Zweipunktregler .......................... . 118
3.3.2.1 Anwendung ........................................... . 118
3.3.2.2 Arbeitsbewegung ...................................... . 119
3.3.3 Adaptiver Regelkreis ................................... . 122
3.3.3.1 Zielsetzung ........................................... . 122
3.3.3.2 Self-Tuning-Verfahren .................................. . 122
3.3.3.3 Modell-Referenz-Verfahren ............................. . 123
3.4 Regelung und Steuerung von MehrgroBensystemen ......... . 124
3.4.1 MehrgroBensysteme ................................... . 124
3.4.1.1 Einfuhrende Beispiele ................. ................. . 124
3.4.1.2 Definition ............................................ . 127
3.4.1.3 Getastete Regelkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... . 128
3.4.1.4 Mathematische Beschreibung quasikontinuierlicher
MehrgroBensysteme ................................... . 130
3.4.2 Arten der Leittechnik fur MehrgroBensysteme ............. . 132
3.4.2.1 Regelung von MehrgroBensystemen
(Ruckfiihrungsprinzip) ................................. . 132
3.4.2.2 Steuerung von MehrgroBensystemen
(modellbasierte Vorwartssteuerung) ...................... . 134
3.4.2.3 Kombinierte Regelung und Steuerung
von MehrgroBensystemen ............................... . 137
3.4.3 Eigenschaften von MehrgroBenregelungssystemen ......... . 139
3.4.3.1 Stabilitat ............................................. . 139
3.4.3.2 Autonomie ............................................ . 141
3.4.3.3 Zusammenhange zwischen Stabilitat, Invarianz, Autonomie
und Regelgute ......................................... . 144
4 Experimentelle ProzeBanalyse ........................... . 147
4.1 Grundlagen ........................................... . 147
4.1.1 Zielstellung ........................................... . 147
4.1.2 Modellbegriff und -abgrenzung .......................... . 148
4.1.2.1 Begriffe und Definitionen .............................. . 148
4.1.2.2 ProzeB und ProzeBvariable .............................. . 149
4.1.3 Einteilung und Entwicklung mathematischer Modelle ....... . 150
4.1.3.1 Einteilung mathematischer Modelle ...................... . 150
4.1.3.2 Eigenschaften eines mathematischen Modells .............. . 152
4.1.3.3 Praktische Modellentwicklung ........................... . 153
4.1.4 Signalanalyse und theoretische ProzeBanalyse ............. . 155
4.1.4.1 Signalanalyse ............................... .......... . 155
4.1.4.2 Theoretische ProzeBmodellierung ........................ . 155