Table Of ContentSCHRIFTENREIHE DATENVERARBEITUNG
INSTITUT FUR
DATENVERARBEITUNG DRESDEN
Meßwertverarbeitung und
Prozeßsteueru ng
mit Digitalrechnern
WESTDEUTSCHER VERLAG
K 0 L NUN D 0 P LAD E N . 1966
Autor: DipI.-Ing. Sü.'gfricd Da w i cl c z a k
Bearbeiter: Dr. phi!. Christa H ü 1 m
Herausgeber: Jnsritut flir DatenyeL1rheitung, Dresden
ISBN 978-3-663-00785-2 ISBN 978-3-663-02698-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-02698-3
Verlags-Nt. 02460/3
Westdeutschel" Verlag· K;iln lind Orladcn . 1966
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ES 19 B J
INHALTSVERZEICHNIS
Vorbemerkungen 5
1. Einordnung des Prozeßrechners in das Steuerungssystem
eines Prozesses .................................. . 9
1.1. Rechner außerhalb der Steuerungskette (olf-linc-Schaltung) 11
1.2. Rechner inncrhalh der Stcuerungskette (un-linc-Schaltung) 12
1.2.1. Betriebsart ohne direkte Steuerung (open-Ioop) . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2. Betriebsart mit direkter Steuerung (c!osed-]oop) ........ 14
1. . 3. Sollwertoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.1. Suchverfahrcll (feedback contro!) ......... . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.2. Modcllverfahren Cfecdforward contro!) ................ 17
1.3.3. Modellverfahren mit Anpassung ............................ 19
2. Forderungen an ein System zur Prozeßsteuerung. . . . . . . . . 22
2.1. Umfang des Baukastensystems....................... . . . . . . . 22
L, .I7- . Anpassung an den techllologischen Prozeß ................... . 22
2.3. Genauigkeit 24
2.4. Geschwindigkeit 25
2.5. Speichcrhcd,u·f 27
2.(,. Zusammenstcllupg der Forderungen ................ ......... . 28
3. Analogtechnik - Digitaltechnik. ... jO
:U. Bcgri ffe und Dehnitionen ................................. . .30
3.2. Arheits\\lcisc der Analog- lind Digitalrechner ................. . 3.3
.Ll. Vorliegende Form der Meßsignalc ................. . 4.3
3.4. Feh J erbetrachtung ......................... . ........ . 45
3.4.1 Fehler im analogen Ycrarhcitungssystcm 4(,
.,.4.2. Fehle,. im digitalen Verarheitungssystem 47
.'.5. Pr(Jgr;.lmmicfuilg SO
.'.5.1. Progr~lmmicrllng beim An,lJogrcchner 50
3.5.2. Programmierung heinl Digit"llrcchncr ....................... . 52
3.G. Speichcrm äglichkcitcn 53
.1.6.1. Analogwertspeicher ...................... . .............. . 53
3.(,.2. Digitalwertspeicher ......... . ................... . 55
3.7. Vorteile und Anwenclung der Analogtechnik ......... . 61
3.8. Vorteile und Anwendllng der Digitaltechnik .... . ........... . 61
.'.9. Besondere Anwcndungsgchietc 62
4. Anlagen des Prozeßsteuerungssystems .......... . 63
4.1. Prozeßrechncr zur Meßwertverarbeitung 64
4.2. Prozcßrcchner zur Optimierung im offenen Kreis ............. . 73
4.3. Prozeßrechner zur Optimierung im geschlossenen Kreis ........ . 77
4.4. Direkte digitale Regelung ................................ . 80
4.5. Anlage zur Prodnktionsüberwachung ........................ . 83
4.6. Produktionskontroll- und Produktionslenkungsanlage ........... . 85
5. Baueinheiten des Systems .............................. . 88
5.1. Meßwertgeber .......................................... . 90
5.2. Meßstellenumschalter 93
5.3. Meßverstärker 97
5.3.1. Mcßvcrstärker am Geher ................................. . 99
5.3.2. Zentraler Mcßverstärker ................................... 101
5.3.3. Meßvcrstärker für Meßwertgruppen 105
5.4. Analog-Digital-Umsetzer .................................. 109
5.4.1. Sägezahnverfahren ..................................... .. 11 0
5.4.2. Kompensationsverfahren 113
5.5. Digitalwerterfassung ................... . 117
5.6. Impulserfassung .......................... . 120
5.7. Grenzwertvergleich 123
5.7.1. Analoger Grcnzwertverglcich 123
5.7.2. Digitaler Grenzwertvergleich ......................... . 125
5.7.3. Grenzwertvergleich im Rechner ......................... . 128
5.8. Ein- und Ausgabeeinrichtungen .......... . 1.28
5.9. Eingriffssystem zur Vorrangbearheitung 139
5.10. Rechnereinheit ............. . 141
5.11. Digital-Anal og-U mst:tzcr 143
6. Zuverlässigkeit und Lebensdauer ....................... . 146
Literaturhinweise 155
Bildverzeichnis .................................... . 158
VORBEMERKUNGEN
Die Forderungen nach ökonomischer Fahrweise einer Anlage,
verbesserter Führung eines Prozesses und weitestgehender
Aufschlüsselung der Planziffern auf kleine, leicht über
sehbare Produktionsbereiche lassen die zu bearbeitende
:Datenmenge in unvorstellbarer Weise anwachseno Dazu trägt
auch die Tendenz bei, neue Industrieanlagen mit größerer
3inheitsleistung zu schaffen, in weit stärkerem Maße als
bisher zu großen Komplexen zusammenzufassen. Das führt
bei allen Fließprozessen, zum Beispiel in der chemischen
Industrie, der Energiewirtschaft, der Metallurgie und
anderen Industriezweigen, dazu, daß die notwendigerweise
zu messenden Werte Q~möglich auch nur annähernd von
wenigen qualifizierten Fachkräften in ihrer Gesamtheit
und in ihrem Zusammenhang übersehen werden können.
Die in modernen Meßwarten in verwirrender Anzahl vorhan
denen anzeigenden und registrierenden Meßgeräte benötigen
einen so breiten Raum, daß die Gesamtübersicht völlig
verlorengeht. Der Zusammenfassung von Meß- und Steuere in
richtungen in zentralen Vlarten setzt die Beschränkung der
menschlichen Fähigkeit zur Verarbeitung von Informationen
eine natürliche Grenze. Bei kurzfristig erforderlichen
Entscheidungen werden demzufolge nur einige wenige als
besonders wichtig erscheinende Prozeßvariab1en einbe
zogen.
Die so getroffene Entscheidung kann zwangsläufig zu keiner
optimalen Fahrweise führen, da es unmöglich ist, alle
anfallenden Daten nach ihrer vollen Aussagefähigkeit zu
verwenden. Die Entscheidung ist meist empirisch geschätzt
und nicht exakt errechnet, weil die Methoden für die Er-
5
fassung und Verarbeitung der Meßwerte zu zeitraubend sind,
um für die augenblickliche Prozeßführung von Nutzen zu
sein. Wenn aus den Daten gewonnene Kennziffern schließlich
vorliegen, haben sich die wirksamen Prozeßparameter im all
gemeinen bereits soweit verändert, daß die Kennziffern nur
noch historischen Wert besitzen und lediglich zur statisti
schen Auswertung beitragen. Auch die Bilanzierung und die
statistische Auswertung erfordern auf diese Weise einen
enormen Aufwand an Zeit und Personal.
Diese Situation führt zu der Notwendigkeit,
folgericht~g
die Grenzen des menschlichen Leistungsvermögens durch den
Einsatz rechnender Einrichtungen zu verschieben bzw. zu
überschreiten. Ein Mittel dazu ist die automatische Meß
werterfassung mit angeschlossenem Rechner. Derartige Ein
richtungen sind heute als Prozeßrechnersysteme bekannt.
Das anzustrebende Endziel besteht darin, Industrieanlagen
nach höchstem und wirtschaftlichem Wirkungsgrad, günstiger
Anlagenausnutzung, bester Qualität des Produktes oder ähn
lichen Optimierungskriterien zu steuern oder zu regeln.
Die Investitionskosten für Prozeßrechner sind gegenwärtig
noch relativ hoch, so daß sich ein Einsatz im allgemeinen
nur in Prozessen mit hohem Durchsatz lohnt. Dabei spielen
jedOCh auch weitere Faktoren eine Rolle, wie Automatisie
rungsgrad der Anlage, D,ynamik des Prozesses usw. Bei einer
Reihe von Industrieanlagen sind durch Teillösungen auf dem
Wege zur Vollautomatisierung bereits merkliche Verbesse
rungen, etwa Einsparungen an Rohstoffen oder Energie, er
zielbar. Das bewiesen 1964 zum IFAC-Kongreß in Stockholm
mehrere Berichte über den erfolgreichen Einsatz von ReCh
nern zur Prozeßsteuerung.
In einem Walzwerk wurden beispielsweise 98 % aller Erz~g
nisse innerhalb ± 4/1000 Zoll Genauigkeit und 94 % aller
Erzeugnisse innerhalb ± 2/1000 Zoll Genauigkeit herge
stellt, in einem Stahlwerk, das einen Rechner seit etwa
6
3 1/2 Jahren in Betrieb hat, jährlich 38400 engl. Pfund
eingespart. Die Kosten für Rechner, Installation und Erst
programmierung ergaben 33600 engl. Pfund. Dabei wurde die
se Anlage nur mit 25 % der verfügparen Speicherkapazität
und ca. 2 1/2 % der verfügbaren Zeit eingesetzt. Die Zu
verlässigkeit betrug in den letzten 2 1/2 Jahren 99,86 %.
Ein weiteres Beispiel aus der Zementindustrie zeigte eine
Erhöhung des Ofendurchsatzes und Brennstoffeinsparungen
von ca. 5 bis 10 %. Durch Kontrolle der Rohstoffe und mit
Hilfe der davon abgeleiteten Einstellung der Betriebspara
meter konnte nicht nur eine wesentliche Steigerung des
Wirkungsgrades erzielt, sondern vor allem ständig ein Pro
dukt von gleichmäßig hoher Qualität gewonnen werden.
Der Einsatz von Prozeßrechnern zur Steuerung und Optimie
rung der Fahrweise von Industrieprozessen setzt die Kennt
nis der quantitativen Zusammenhänge des Prozesses voraus.
Diese Notwendigkeit bedingt eine im allgemeinen umfangrei
che Vorbereitungsarbeit vor dem Einsatz des Rechners. Eine
wesentliche Verkürzung dieser Arbeiten ist durch den Ein
satz von lIIIeßwertverarbeitungsanlagen zu erzielen. Dabei
kann bereits während der Vorbereitungs zeit der Einsatz
einer solchen Anlage-durch Ubernahme der Prozeßüberwachung,
Kenngrößenberechnung und Bilanzierung zu ökonomischem Nut
zen fiihren.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Einordnung des Pro
zeßrechners in das Steuerungssystem unter verschiedenarti
gen Voraussetzungen.. Dabei wird ausführlich auf die Anfor
derungen eingegangen, die heute an ein 8,ystem zur Prozeß
steuerung gestellt werden müssen. Probleme der Fehlerbe
trachtung, der Programmierung, der Speichermöglichkeiten
usw. sind sowohl im Hinblick auf die Anwendung der Analog
als auch der Digitaltechnik behandelt und die Vor- wie
Nachteile beider Techniken gegeneinander abgeSChätzt.
7
Den Hauptteil der Arbeit bildet die Beschreibung der An
lagen des Prozeßsteuerungssystems und der hierfür notwen
digen Baueinheiten. Aufbau und Wirkungsweise der Anlagen
sind zum Teil anband graphischer Darstellungen näher er
läutert, um das Verständnis der einzelnen Ausführungen
zu vertiefen. Abschließend wird auf die Zuverlässigkeit
und Lebensdauer von Prozeßrechneranlagen näher eingegan
gen.
Insgesamt will die Sc.b.rift eine Einführung in die Technik
und die Anwendungsmöglichkeiten von Prozeßrechneranlagen
geben.
8
1. EINORDNUNG DES PROZESSRECHNERS IN DAS
STEUERUNGSSYSTEM EINES PROZESSES
Der Einsatz von Prozeßrechnern ist in Weise
viel~ältiger
möglich.
Wenn man bedenkt, daß ein Prozeßrec!L.'1ersystem ~ür - sowohl
in ihrer Struktur als auch in ihrem U~ang - sehr unter
schiedliche Prozesse Verwendung finden soll, so erscheint
das zunächst kaum glaubhaft. Man nimmt an, für jeden Ein
satzfall müsse eine spezielle, nur den besonderen Bedin
gungen entsprechende Prozeßrechenanlage entwickelt und
aufgebaut werden und die Anlage wäre dann nur für gleich
artige Fertigungsprozesse einsetzbar. Es ist zweifellos
einleuchtend, daß eine solche Verfahrensweise in keinem
Fall ökonomisch sein kann.
Die Untersuchungen über den Einsatz von Prozeßrechnern ha
ben jedoch ergeben, daß die Arbeitsweise des Rechners vom
Prozeß weitgehend unabhängig ist, wenn das System eine
möglichst gute Anpassung aufweist. In jedem Falle sind Da
ten, meist physikalische Meßgrößen, vom Prozeß dem Pechner
zuzuführen, der sie durch Korrekturrechnungen und Verknüp
fungen untereinander zu Kennwerten verdichtet, speichert
und in Form von Berichten ausgibt oder zu steuersignalen
verarbeitet, die wieder den stellorganen des Prozesses zu
geführt werdeno Dabei wird sich der Einsatz nicht für je
den Prozeß in voller Konsequenz durchführen lassen. Das
hängt im wesentlichen vom jeweiligen Stand der Theorien
zur Prozeßsteuerung ab.
Auf Grund dieser Tatsache haben sich verschiedene Ein
sChaltungsmöglichkeiten und Betriebsarten für den Rechner
einsatz herausgebildet, die in den fOlgenden Abschnitten
näher betrachtet werden sollen.
9
Rohstoffe End-
Prozeß
Energie produkte
t1eßeinrichtung mit Regelungs - und
Speicherung und Steuef'ungseinrichtung
Regisfrief'ung
Rechner
ld 1: Rechner in off-line-Schalt ung
10
