Umdruck - Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik
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Umdruck - Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik

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Universität Stuttgart<br />

<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>- <strong>und</strong> <strong>Softwaretechnik</strong><br />

Prof. Dr.-Ing. M. Weyrich<br />

<strong>Automatisierungs</strong>technik II<br />

Wintersemester 2013 / 2014<br />

www.ias.uni-stuttgart.de/at2<br />

at2@ias.uni-stuttgart.de

AT II<br />

Ansprechpartner <strong>für</strong> „<strong>Automatisierungs</strong>technik II“<br />

Bei organisatorischen Fragen zur Vorlesung oder bei Problemen mit dem<br />

Ablauf der Vorlesung „<strong>Automatisierungs</strong>technik II“ wenden Sie sich bitte an:<br />

Dipl.-Ing. Andreas Friedrich<br />

Zimmer: 1.113 (Pfaffenwaldring 47, 1. Stock am IAS)<br />

Tel.: 0711 / 685-67293<br />

E-Mail: at2@ias.uni-stuttgart.de<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 2

AT II<br />

Unterlagen<br />

– Skript „<strong>Automatisierungs</strong>technik II“<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Blaue Texte zum Mitschreiben (im Skript nicht enthalten)<br />

Live-Mitschriebe (leere Folien im Skript <strong>für</strong> Mitschrieb vorgesehen)<br />

Fragen am Ende jedes Unterkapitels – Antworten zum Mitschreiben<br />

Vorbereitungsfragen <strong>für</strong> die eigenständige Bearbeitung am Ende jedes Kapitels<br />

– Vorlesungsportal im Internet: www.ias.uni-stuttgart.de/at2<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Aktuelle Informationen zur Vorlesung<br />

Vollständige Vorlesungsunterlagen<br />

Übungsunterlagen<br />

Aufgaben mind. eine Woche vor Übungstermin<br />

Lösungen nach dem Übungstermin<br />

Prüfungsunterlagen<br />

Musterlösungen am <strong>Institut</strong> <strong>und</strong> auf der Vorlesungs-CD erhältlich<br />

Lecturnity-Aufzeichnungen der Vorlesungen <strong>und</strong> Übungen<br />

<br />

Interaktive Planspiele (jetzt auch als Android-App <strong>für</strong> Smartphones)<br />

Vorlesungsportal<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 3

AT II<br />

Literatur<br />

Rudolf Lauber, Peter Göhner:<br />

Prozessautomatisierung 2<br />

1. Auflage<br />

Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999<br />

ISBN 3-540-65319-8<br />

Preis: 46,68 EUR<br />

Hinweis:<br />

Ermäßigung bei Vorlage eines Hörerscheins<br />

Hörerscheine bekommen Sie am IAS<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 4

AT II<br />

Vorlesungstermine<br />

Nr. Termin Thema der Vorlesung<br />

1 17.10.13 <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

2* 18.10.13 <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

3 24.10.13 <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

4* 25.10.13 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

5 31.10.13 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

6 07.11.13 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

7 14.11.13 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

8 21.11.13 Methoden <strong>für</strong> die Entwicklung von <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

9 28.11.13 Methoden <strong>für</strong> die Entwicklung von <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

10 05.12.13 Automatisierung mit qualitativen Modellen<br />

11 12.12.13 Automatisierung mit qualitativen Modellen<br />

12 19.12.13 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

13 09.01.14 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

14 16.01.14 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

15 23.01.14 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

(*) Vorlesung anstatt Übung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 5

AT II<br />

Übungstermine<br />

Nr. Termin Thema<br />

1 08.11.13 <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

2 15.11.13 Prozesssignalerfassung <strong>und</strong> Prozessüberwachung<br />

3 22.11.13 Prozessführung von Fließprozessen<br />

4 29.11.13 Petri-Netz-Modellierung von Ablaufsteuerungen (A)<br />

5 06.12.13 Petri-Netz-Modellierung von Ablaufsteuerungen (B)<br />

6 13.12.13 Systemanalyse mit SA/RT (A)<br />

7 20.12.13 Systemanalyse mit SA/RT (B)<br />

8 10.01.13 Objektorientierte Systemmodellierung<br />

9 17.01.14 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

10 24.01.14 Fuzzy-Control (A)<br />

11* 30.01.14 Fuzzy-Control (B)<br />

12 31.01.14 Zuverlässigkeit <strong>und</strong> Sicherheit (A)<br />

13* 06.02.14 Zuverlässigkeit <strong>und</strong> Sicherheit (B)<br />

14 07.02.14 Prüfungsvorbereitung<br />

(*) Übung anstatt Vorlesung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 6

AT II<br />

Ziele der Vorlesung<br />

– Wissen, was ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt ist <strong>und</strong> welche Tätigkeiten ein<br />

<strong>Automatisierungs</strong>projekt umfasst<br />

– Gr<strong>und</strong>verfahren zur Prozessüberwachung <strong>und</strong> Prozessführung verstehen<br />

<strong>und</strong> anwenden können<br />

– Methoden zur quantitativen <strong>und</strong> qualitativen Modellbildung von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen verstehen <strong>und</strong> anwenden können<br />

– Methoden zur Systementwicklung verstehen <strong>und</strong> anwenden können<br />

– Konzepte <strong>und</strong> Verfahren der Sicherheits- <strong>und</strong> Zuverlässigkeitstechnik<br />

verstehen <strong>und</strong> anwenden können<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 7

AT II<br />

Bezug zu anderen Vorlesungen der Fakultät:<br />

Vertiefung einzelner<br />

Themen in<br />

Technische<br />

Informatik II<br />

<strong>Automatisierungs</strong>technik II<br />

Kommunikationsnetze<br />

Gr<strong>und</strong>kenntnisse aus<br />

<strong>Softwaretechnik</strong><br />

I<br />

<strong>Automatisierungs</strong>technik<br />

I<br />

Einführung in die<br />

Informatik I, II<br />

Technische<br />

Informatik I<br />

Networks and<br />

Processes<br />

Introduction to<br />

Distributed Systems<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 8

AT II<br />

Inhaltsverzeichnis (1)<br />

§ 1 <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.6 Zusammenfassung<br />

§ 2 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

2.3 Prozessüberwachung<br />

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

2.7 Zusammenfassung<br />

§ 3 Methoden <strong>für</strong> die Entwicklung von <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

3.2 Modellierungskonzepte<br />

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

3.5 Zusammenfassung<br />

11<br />

12<br />

27<br />

46<br />

68<br />

79<br />

92<br />

96<br />

97<br />

106<br />

118<br />

139<br />

162<br />

198<br />

215<br />

220<br />

221<br />

229<br />

243<br />

265<br />

279<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 9

AT II<br />

Inhaltsverzeichnis (2)<br />

§ 4 Automatisierung mit qualitativen Modellen<br />

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

4.4 Zusammenfassung<br />

§ 5 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

5.3 Sicherheitstechnik<br />

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

5.7 Zusammenfassung<br />

5.8 Kreuzworträtsel<br />

281<br />

282<br />

300<br />

317<br />

341<br />

345<br />

346<br />

361<br />

382<br />

395<br />

414<br />

430<br />

443<br />

447<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 10

AT II<br />

§ 1 <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

Lernziele<br />

– Verstehen, was ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt ist<br />

– Wissen, welche Tätigkeiten ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt umfasst<br />

– Das gr<strong>und</strong>sätzliche Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten verstehen<br />

– Projektplanungsmethoden kennen <strong>und</strong> anwenden können<br />

– Wissen, was wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

bedeutet<br />

– Wissen, welche Unterstützung Rechnerwerkzeuge bieten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 11

AT II<br />

§ 1 <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.6 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 12

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

Projekt:<br />

Vorhaben zur Lösung einer definierten<br />

Aufgabe durch Menschen<br />

<strong>Automatisierungs</strong>projekt:<br />

Vorhaben zur Lösung einer <strong>Automatisierungs</strong>aufgabe<br />

durch Ingenieure<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 13

<strong>Automatisierungs</strong>aufgaben<br />

als Zielvorgabe<br />

zeitliche<br />

Begrenzungen<br />

finanzielle<br />

Begrenzungen<br />

Infrastruktur<br />

(Arbeitsplätze,<br />

Werkzeuge)<br />

Projektrichtlinien,<br />

Standards<br />

Ergebnisse aus<br />

früheren Projekten<br />

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Definition des Begriffs "<strong>Automatisierungs</strong>projekt"<br />

<strong>Automatisierungs</strong>projekt<br />

(Tätigkeiten von Ingenieuren)<br />

Automatisiertes System<br />

<strong>Automatisierungs</strong>system<br />

Technisches<br />

System<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 14

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Kennzeichen von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

- Generelle Kennzeichen von Projekten<br />

<br />

<br />

Einmaligkeit des Ablaufs<br />

Abgrenzung gegenüber anderen Vorhaben<br />

- Spezifische Kennzeichen von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Zusammenarbeit von Ingenieuren<br />

unterschiedlicher Fachrichtungen<br />

Anwendung neuartiger Verfahren<br />

Auswirkung auf Arbeitsabläufe<br />

des Betriebspersonals<br />

Rückwirkungen auf Betriebsorganisation<br />

schwer vorhersehbar<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 15

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Arten von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

- Produktautomatisierungsprojekt<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Automatisierung eines technischen Produkts<br />

Technischer Prozess in Gerät bzw. Maschine<br />

Umfang <strong>und</strong> Zeitdauer abhängig von Stückzahl<br />

Beispiele: Waschmaschine, Telefonanlage, Kfz<br />

- Anlagenautomatisierungsprojekt<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Automatisierung größerer technischer Anlagen<br />

Einmalsysteme<br />

Umfang <strong>und</strong> Zeitdauer abhängig von Komplexität <strong>und</strong> Größe<br />

Beispiele: Energieversorgung, Klimatechnische Anlagen,<br />

Lichtsignalanlagen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 16

Entscheidung über<br />

die Durchführung<br />

Abnahme des fertigen<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systems<br />

(Quantitativer) Umfang<br />

der Tätigkeiten<br />

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Phasen eines <strong>Automatisierungs</strong>projekts (Live-Mitschrieb)<br />

Idealzustand<br />

Vorarbeiten zur<br />

Vorbereitung<br />

des Projekts<br />

Realisierung<br />

Wartungs- <strong>und</strong><br />

Pflegearbeiten<br />

t<br />

Vorprojekt-<br />

Phase<br />

Projektdurchführungs-<br />

Phase<br />

Nachprojekt-<br />

Phase<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 17

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Tätigkeitsbereiche bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

Technische<br />

Tätigkeiten<br />

Technische Realisierung<br />

des <strong>Automatisierungs</strong>systems<br />

Qualitätssicherung<br />

Konfigurationsmanagement<br />

Projektmanagement<br />

Nichttechnische Tätigkeiten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 18

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Technische Tätigkeiten<br />

– Projektierung<br />

<br />

<br />

Auslegung / Planung eines Systems oder einer Anlage auf Basis<br />

bekannter Komponenten <strong>und</strong> Verfahren<br />

Ausführung (Realisierung) zählt nicht mehr zur Projektierung<br />

– Entwicklung<br />

<br />

<br />

<br />

Verwertung <strong>und</strong> Anwendung von Forschungsergebnissen <strong>und</strong><br />

Erfahrungen, um zu neuen Systemen oder Geräten zu gelangen<br />

Nur erforderlich bei neuartigen Aufgaben bzw. Systemen<br />

Erprobung elementarer Bestandteil<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 19

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Nichttechnische Tätigkeiten<br />

– Projektmanagement<br />

<br />

<br />

<br />

Projektplanung<br />

Projektkontrolle<br />

Projektsteuerung<br />

– Qualitätssicherung<br />

<br />

<br />

Konstruktive Maßnahmen<br />

Planerische <strong>und</strong> administrative Maßnahmen<br />

Analytische Maßnahmen<br />

Messungen <strong>und</strong> Prüfungen (Qualitätskontrollen)<br />

– Konfigurationsmanagement<br />

<br />

Verwaltung von Versionen <strong>und</strong> Varianten mittels Konfigurationen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 20

Lastenheft,<br />

Aussschreibungsunterlagen<br />

Angebot<br />

Auftrag<br />

Pflichtenheft<br />

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Tätigkeiten zu Beginn eines Projekts<br />

Auftraggeber<br />

(z.B. Betreiber<br />

eines Kraftwerks)<br />

Problemanalyse,<br />

Anforderungen aus<br />

Sicht des Betreibers,<br />

Machbarkeitsstudie<br />

Angebotsbearbeitung<br />

Mitarbeit bei<br />

der Ausarbeitung<br />

eines<br />

Pflichtenhefts<br />

Begleitung der<br />

Entwicklung bzw.<br />

Projektierung<br />

Auftragnehmer<br />

(z.B. Lieferant des<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systems)<br />

Ausarbeitung<br />

eines<br />

Angebots<br />

Vorprojekt-Phase<br />

Ausarbeitung<br />

eines<br />

Pflichtenhefts<br />

Entwicklung bzw.<br />

Projektierung des<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systems<br />

Projektdurchführung<br />

t<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 21

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Nachprojekt-Tätigkeiten<br />

– Instandhaltung des <strong>Automatisierungs</strong>systems<br />

– Wartungs- <strong>und</strong> Pflegearbeiten<br />

<br />

<br />

<br />

Korrekturarbeiten<br />

Änderungsarbeiten<br />

Erweiterungsarbeiten<br />

– Betreuung der Serienfertigung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 22

Rechtsabbiege-Spur<br />

Linksabbiege-Spur<br />

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Beispiel: Steuerung <strong>für</strong> eine Lichtsignalanlage an einer<br />

Straßenkreuzung<br />

– Ziele: Verringerung der Stau<strong>und</strong><br />

Wartezeiten<br />

<br />

Erhöhung der<br />

Verkehrssicherheit<br />

DR, DL<br />

ANR, ANL<br />

AHO, AHW<br />

Hauptstraße<br />

Detektoren rechts bzw. links<br />

Ampeln Nebenstraße rechts bzw. links<br />

Ampeln Hauptstraße Ost-West / West-Ost<br />

AHO<br />

Verkehr Ost-West<br />

Verkehr West-Ost<br />

– Projektarbeiten<br />

AHW<br />

ANL<br />

Voruntersuchungen (Verkehrszählung) durch<br />

Stadtverwaltung<br />

DL<br />

DR<br />

ANR<br />

Verkehrstechnische Konzeption<br />

durch Planungsamt<br />

Nebenstraße<br />

Vergabe an Hauptauftragnehmer <strong>und</strong><br />

Unteraufträgen an Zulieferfirmen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 23

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Beispiel: Planung, Entwurf <strong>und</strong> Realisierung eines<br />

Prozessleitsystems zur Überwachung <strong>und</strong><br />

Steuerung eines Erdgas-Transport-Netzes<br />

Ziel:<br />

Unterstützung des Bedienpersonals durch modernes Leitsystem<br />

anstelle von Leitwarten<br />

– Projektarbeiten<br />

Analyse des Erdgasnetzes<br />

Erarbeitung einer<br />

Lösungskonzeption<br />

Grobentwurf der<br />

<strong>Automatisierungs</strong>struktur<br />

Ausschreibung von Hardware<strong>und</strong><br />

Softwarearbeiten an<br />

Zulieferfirmen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 24

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Beispiel: Steuerung <strong>für</strong> eine industrielle Wasch-Schleuder-<br />

Maschine<br />

– Ziel: Entwicklung einer modernen Mikroprozessorsteuerung<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Verbesserung der Bedienung<br />

Verbesserung der Prozesskontrolle <strong>und</strong> Fehlerdiagnose<br />

Verringerung des Energieverbrauchs<br />

Verbesserung der Sicherheit<br />

– Projektarbeiten<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Objektorientierte Analyse/Design/Implementierung<br />

Realisierung Schnittstelle PC Wasch-<br />

Schleuder-Maschine<br />

Waschprogramm-Editor<br />

Graphische Benutzungsoberfläche <strong>für</strong> das<br />

Bediengerät<br />

Verfahren zur berührungslosen<br />

Füllstandsmessung<br />

Kommunikationsschnittstelle nach CAN-Standard<br />

Einsatz von Chipkarten<br />

Integration der Hardware/Softwarekomponenten<br />

Video: Automatisierte Waschmaschine<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 25

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 1.1<br />

Welchen Aussagen stimmen Sie zu?<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt ist ein Vorhaben zur Lösung einer<br />

<strong>Automatisierungs</strong>aufgabe durch Ingenieure.<br />

Einmaligkeit des Ablaufs ist ein generelles Kennzeichen von Projekten.<br />

<strong>Automatisierungs</strong>projekte sind immer Produktautomatisierungsprojekte.<br />

Projektierung <strong>und</strong> Entwicklung sind Synonyme.<br />

Neben technischen Tätigkeiten beinhaltet ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt<br />

auch nichttechnische Tätigkeiten wie beispielsweise Qualitätssicherung.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 26

AT II<br />

§ 1 <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.6 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 27

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Gr<strong>und</strong>sätzliches Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

Phasen<br />

Anforderungsdefinition<br />

Anforderungen aus<br />

Blickwinkel der<br />

Benutzer (Auftraggeber)<br />

/A10/ Einstellbare Temperatur<br />

in jedem Raum<br />

/A20/ geringer<br />

Heizölverbrauch<br />

Fachtechnische<br />

Lösungskonzeption<br />

Fachkonzept aus Blickwinkel<br />

der Technologie-<br />

Fachleute<br />

Systementwurf<br />

Entwurf eines<br />

SW-HW-Systems aus<br />

Blickwinkel der<br />

Rechnerfachleute<br />

Implementierung<br />

Implementierung aus<br />

Blickwinkel der<br />

Programmierer <strong>und</strong><br />

Schaltungsentwickler<br />

count++;<br />

if ( count >= delay[index] )<br />

{<br />

P2 = 1

A10/<br />

/A20/<br />

Einstellbare Temperatur<br />

in jedem Raum<br />

geringer<br />

Heizölverbrauch<br />

count++;<br />

if ( count >= delay[index] )<br />

{<br />

P2 = 1

A10/<br />

/A20/<br />

Einstellbare Temperatur<br />

in jedem Raum<br />

geringer<br />

Heizölverbrauch<br />

count++;<br />

if ( count >= delay[index] )<br />

{<br />

P2 = 1

A10/<br />

/A20/<br />

Einstellbare Temperatur<br />

in jedem Raum<br />

geringer<br />

Heizölverbrauch<br />

count++;<br />

if ( count >= delay[index] )<br />

{<br />

P2 = 1

A10/<br />

/A20/<br />

Einstellbare Temperatur<br />

in jedem Raum<br />

geringer<br />

Heizölverbrauch<br />

count++;<br />

if ( count >= delay[index] )<br />

{<br />

P2 = 1

A10/<br />

/A20/<br />

Einstellbare Temperatur<br />

in jedem Raum<br />

geringer<br />

Heizölverbrauch<br />

count++;<br />

if ( count >= delay[index] )<br />

{<br />

P2 = 1

A10/<br />

/A20/<br />

Einstellbare Temperatur<br />

in jedem Raum<br />

geringer<br />

Heizölverbrauch<br />

count++;<br />

if ( count >= delay[index] )<br />

{<br />

P2 = 1

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Vorgehensmodelle zur Beschreibung des Tätigkeitsablaufs<br />

von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

– Vorgehensmodelle beschreiben:<br />

<br />

<br />

<br />

Tätigkeiten bei der Durchführung eines Projekts<br />

Produkte, welche während des Projekts entstehen<br />

Rollen von Personen<br />

– Gängige Vorgehensmodelle<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Phasenmodelle<br />

"Modifiziertes" Wasserfallmodell<br />

Prototyp-orientiertes Vorgehensmodell<br />

Spiralmodell<br />

V-Modell des B<strong>und</strong>es<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 35

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Phasenmodelle verschiedener <strong>Institut</strong>ionen<br />

Requirements<br />

Engineering<br />

Software-Hardware-<br />

Systementwurf<br />

Implementierung<br />

Wartung <strong>und</strong><br />

Pflege<br />

Konzeptphase<br />

Test- <strong>und</strong><br />

Inbetriebnahmephase<br />

Definitionsphase<br />

Analyse: Festlegung<br />

Anwenderanforderungen<br />

<strong>und</strong> Schnittstellen<br />

Entwicklungsphase<br />

Entwurf: Festlegung<br />

Architektur, Komponenten<br />

<strong>und</strong> Schnittstellen<br />

Verb<strong>und</strong>test<br />

Implementierung<br />

Erhaltung<br />

der Einsatzfähigkeit<br />

Systemtest<br />

Wartung <strong>und</strong><br />

Pflege<br />

Erfolgskontrolle<br />

Bedarfsanalyse<br />

Technische Entwicklung<br />

Einführung<br />

<strong>und</strong> Übergabe<br />

Aufgabenstellung<br />

Zeit<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 36

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

"Wasserfall"-Modell<br />

Anforderungsdefinition<br />

System- <strong>und</strong><br />

Softwareentwurf<br />

Implementierung <strong>und</strong><br />

Komponententest<br />

Integration <strong>und</strong><br />

Systemtest<br />

Betrieb <strong>und</strong> Wartung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 37

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Eigenschaften des Wasserfallmodells<br />

– Weiterentwicklung des sogenannten Phasenmodells<br />

[Royce, 1970 / Boehm, 1981]<br />

– Weit verbreitetes Vorgehensmodell<br />

– Jede Phase muss vollständig durchlaufen werden.<br />

– Das Modell ist streng sequentiell. Nächste Phase beginnt erst nach<br />

Abschluss der vorigen Phase.<br />

– Iterationen sind nur zwischen zwei aufeinanderfolgenden Phasen erlaubt<br />

– Modell ist dokumentengetrieben<br />

– Aus jeder Phase entstehen Dokumente, die abgenommen werden.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 38

Requirements<br />

Engineering<br />

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

"Modifiziertes" Wasserfallmodell<br />

Anforderungsdefinition<br />

Zielsetzung festlegen, Aufgabenstellung klären,<br />

Kostenschätzung<br />

Festlegung der Systemanforderungen im<br />

Lastenheft<br />

Nutzer /<br />

K<strong>und</strong>e<br />

Fachtechnische Lösungskonzeption<br />

Analyse des technischen Prozesses,<br />

Detaillierung der Systemanforderungen<br />

Entwurf des Fachkonzepts, Erstellung des<br />

Pflichtenhefts<br />

Systementwurf<br />

Software-/Hardware-Systemstrukturierung<br />

Software-Grobentwurf Hardware-Grobentwurf<br />

Software-Feinentwurf Hardware-Feinentwurf<br />

Implementierung<br />

Programmierung,<br />

Codierung <strong>und</strong> Test<br />

Schaltungsaufbau<br />

<strong>und</strong> Test<br />

Software/Hardware-Integration, Test <strong>und</strong><br />

Validierung<br />

Technologiefachleute<br />

Rechnerfachleute<br />

Implementierer<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 39

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Vorgehensmodell unter Verwendung von Prototypen<br />

Fachtechnische<br />

Lösungskonzeption<br />

Modell des technischen<br />

Prozesses<br />

Prototypentwicklung<br />

Simulationsmodell<br />

des technischen<br />

Prozesses<br />

Software- <strong>und</strong><br />

Hardware-Entwurf<br />

Implementierung,<br />

Test<br />

Anforderungsdefinition<br />

Systemstrukturierung<br />

Prototypimplementierung<br />

<strong>und</strong> Test<br />

Simulationsmodell<br />

des technischen<br />

Prozesses<br />

Simulationsmodell<br />

des technischen<br />

Prozesses<br />

Technischer<br />

Prozess<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 40

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Simulationsorientiertes Vorgehen (Rapid-Prototyping)<br />

Konventionelles Vorgehen<br />

Fachtechnische Lösungskonzeption<br />

<strong>und</strong> Entwurf der HW-SW-Struktur<br />

Simulationsorientiertes Vorgehen<br />

Fachtechnische Lösungskonzeption<br />

<strong>und</strong> Entwurf der HW-SW-Struktur<br />

Simulation der Lösungskonzeption<br />

<strong>und</strong> der Hardware-Software-Struktur<br />

Entwurf des Software-Systems<br />

Entwurf des Software-Systems<br />

nachträgliches<br />

Tuning<br />

Simulation des entworfenen<br />

Software-Systems<br />

Programmierung, Geräteaufbau<br />

<strong>und</strong> Integrationstest<br />

Programmierung, Geräteaufbau<br />

<strong>und</strong> Integrationstest<br />

Auslieferung <strong>und</strong> Inbetriebnahme<br />

Später Funktionsnachweis / Risiko<br />

Auslieferung <strong>und</strong> Inbetriebnahme<br />

Probleme werden frühzeitig erkannt<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 41

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Spiralmodell<br />

Zielbestimmung,<br />

Beurteilung von Alternativen<br />

Risikoanalyse<br />

P1<br />

P2<br />

P3<br />

P4<br />

Prototypen<br />

Grobentwurf<br />

Anforderungen<br />

Feinentwurf<br />

Entwicklungsplan<br />

Anforderungsvalidierung<br />

Implementierung<br />

Planung der nächsten Phase<br />

Entwurf<br />

V&V<br />

Abnahme<br />

Test<br />

Integration<br />

Produkt der nächsten Ebene<br />

entwickeln <strong>und</strong> verifizieren<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 42

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

V-Modell des B<strong>und</strong>es<br />

– Entwicklungsstandard <strong>für</strong> IT-Systeme des B<strong>und</strong>es<br />

(verbindlich <strong>für</strong> B<strong>und</strong>esbehörden)<br />

– Aufteilung in 4 Submodelle<br />

– Anspruch auf Allgemeingültigkeit<br />

– Zurechtschneiden auf konkrete Anforderungen (Tailoring)<br />

Projekt planen <strong>und</strong><br />

kontrollieren<br />

PM<br />

Voraussetzung schaffen <strong>und</strong><br />

Softwareentwicklungsumgebung (SEU)<br />

bereitstellen<br />

QS-Anforderungen<br />

vorgeben<br />

Produkte<br />

prüfen<br />

QS<br />

Produkt<br />

entwickeln<br />

SE<br />

Produktstruktur<br />

planen<br />

Produkte/Rechte<br />

verwalten<br />

KM<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 43

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

V-Modell - Submodell Systementwicklung<br />

– Ähnlichkeit zum Wasserfallmodell<br />

– Integration von Validierung/Verifkation<br />

– Formale Kriterien zur Abnahme von Teilprodukten<br />

Systemtest<br />

Abnahme<br />

Grobentwurf<br />

Integrationstest<br />

Modulintegration<br />

Systemintegration<br />

Feinentwurf<br />

Modultest<br />

Modulimplementierung<br />

Anforderungsdefinition<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 44

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 1.2<br />

Welchen Aussagen stimmen Sie zu?<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Die Festlegung der Zielsetzung gehört zu den Aufgaben der<br />

Anforderungsdefinition.<br />

Entwurfsentscheidungen sollten so früh wie möglich, z.B. bei der<br />

Erstellung des Pflichtenhefts, getroffen werden.<br />

Phasenmodelle bestehen gr<strong>und</strong>sätzlich aus 4 Phasen.<br />

Das V-Modell fokussiert ausschließlich den Tätigkeitsbereich<br />

Systementwicklung.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 45

AT II<br />

§ 1 <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.6 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 46

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Projektmanagement<br />

Ziel: Gewährleistung einer<br />

kostengerechten<br />

termingemäßen<br />

den vorgegebenen Anforderungen entsprechenden<br />

Erstellung eines <strong>Automatisierungs</strong>systems<br />

– Aufgaben des Projektmanagements<br />

<br />

<br />

<br />

Projektplanung<br />

Projektkontrolle<br />

Projektsteuerung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 47

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Projektplanung<br />

– Zielsetzung<br />

<br />

<br />

Grob-Planung zur Zeit- <strong>und</strong> Kostenabschätzung<br />

Fein-Planung zur Überwachung, Steuerung <strong>und</strong> Koordination<br />

des Projektablaufs<br />

– Einzeltätigkeiten<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Projektstrukturplanung<br />

Projektorganisationsplanung<br />

Kostenplanung<br />

Einsatzmittelplanung<br />

Terminplanung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 48

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Projektstrukturplanung<br />

– Zerlegung der Gesamtprojektaufgabe in eine hierarchische Struktur von<br />

Teilaufgaben <strong>und</strong> Arbeitspaketen<br />

Gesamtprojekt<br />

Teilprojekt 1 Teilprojekt 2 Teilprojekt N<br />

Arbeitspaket 1.1<br />

Arbeitspaket 2.1<br />

Arbeitspaket N.1<br />

Arbeitspaket 1.2<br />

Arbeitspaket 2.2<br />

Arbeitspaket N.2<br />

Arbeitspaket 1.k<br />

Arbeitspaket 2.l<br />

Arbeitspaket N.n<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 49

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Projektorganisationsplanung<br />

– Festlegung der Verantwortlichkeiten <strong>und</strong> Kompetenzen<br />

Projektleitung<br />

Gesamtprojektleiter<br />

Teil-<br />

Projektleiter<br />

Projektbereich A<br />

Teil-<br />

Projektleiter<br />

Projektbereich B<br />

Teil-<br />

Projektleiter<br />

Projektbereich C<br />

Projekt-Mitarbeiter<br />

Team-<br />

Mitarbeiter<br />

Team-<br />

Mitarbeiter<br />

Team-<br />

Mitarbeiter<br />

Team-<br />

Mitarbeiter<br />

Team-<br />

Mitarbeiter<br />

Team-<br />

Mitarbeiter<br />

Team-<br />

Mitarbeiter<br />

Team-<br />

Mitarbeiter<br />

Team-<br />

Mitarbeiter<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 50

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Projektorganisationsformen<br />

– Zielsetzung<br />

<br />

<br />

Festlegung der Organisationsstruktur <strong>für</strong> Projektlaufzeit<br />

Zusammenarbeit unterschiedlicher Fachrichtungen<br />

– Organisationsformen<br />

<br />

<br />

Linienorganisation<br />

• Projektteam aus einer Abteilung<br />

Matrix-Organisationsform<br />

• Dynamische Einheit mit eigenen Projektmitteln <strong>und</strong> Verantwortung<br />

• Keine Vorgesetztenbefugnisse<br />

<br />

Task-Force-Organisationsform<br />

• Eigene Projektabteilung<br />

• Fachliche <strong>und</strong> disziplinarische Unterstellung der Mitarbeiter<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 51

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Beispiel einer Matrix-Organisationsform (Live-Mitschrieb)<br />

Durchgezogene Linien: Disziplinarische Zuordnung<br />

Gestrichelte Linien: Zuordnung bezüglich des betreffenden Projekts<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 52

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Wahl einer Projektorganisationsform<br />

– Wahl der Projektorganisationsform abhängig von<br />

<br />

<br />

Art <strong>und</strong> Umfang des Projekts<br />

Wichtigkeit des Projekts<br />

– Linienorganisation<br />

<br />

Zweckmäßig bei Projekten, welche von einer Abteilung bearbeitet<br />

werden (z.B. Softwareentwicklung)<br />

– Matrix-Organisationsform<br />

<br />

Zweckmäßig beim Zusammenwirken verschiedener Fachabteilungen<br />

– Task-Force-Organisationsform<br />

<br />

Zweckmäßig bei umfangreichen <strong>und</strong> lang laufenden, besonders<br />

wichtigen <strong>und</strong> kritischen Projekten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 53

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Kostenplanung<br />

– Kostenplanung umfasst Vorhersage von<br />

<br />

<br />

<br />

Kosten der einzelnen Arbeitspakete<br />

Kosten sonstiger Aufwendungen<br />

Zeitlicher Anfall der Gesamtkosten während Projektverlaufs<br />

Einsatzmittelplanung<br />

– Planung der Einsatzmittel unter Berücksichtigung von Kapazitätsgrenzen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 54

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Terminplanung<br />

– Planungshilfsmittel<br />

<br />

<br />

Netzplan<br />

Darstellung der logischen Abfolgen zwischen den Arbeitspaketen<br />

Balkenplan<br />

Darstellung der Laufzeit <strong>und</strong> der zeitlichen Anordnung von Arbeitspaketen<br />

– Netzplanung nach der Metra-Potential-Methode (MPM)<br />

Spätester<br />

Starttermin<br />

Frühester<br />

Starttermin<br />

Arbeitspaket 1<br />

Arbeitspaket 2<br />

Tag 2<br />

Tag 6<br />

4 d<br />

Tag 3 Tag 7<br />

Tag 1<br />

Tag 2<br />

1 d<br />

Tag 1 Tag 2 Arbeitspaket 3<br />

Tag 2<br />

Tag 7<br />

5 d<br />

Tag 2 Tag 7<br />

Frühester<br />

Endtermin<br />

Arbeitspaket 4<br />

Spätester<br />

Endtermin<br />

Tag 7<br />

Tag 9<br />

2 d<br />

Tag 7 Tag 9<br />

<br />

Aktivitäten ohne Puffer sind kritisch, sie liegen auf dem kritischen Pfad<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 55

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Terminplanungsarten<br />

– Vorwärtsrechnung<br />

<br />

Der Projektanfangstermin steht fest. Aus der geschätzten Dauer der<br />

Netzplanaktivitäten werden alle folgenden Termine bis zum Projektende<br />

errechnet.<br />

– Rückwärtsrechnung<br />

<br />

Der Projektendtermin steht fest. Aus der geschätzten Dauer der<br />

Netzplanaktivitäten werden alle vorangehenden Termine bis zum Projektanfang<br />

errechnet.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 56

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Balkenplanung<br />

– "Kalendarisierung" der Netzplanung<br />

– Erstellung mit Rechnerwerkzeugen, welche Wochenenden, Feiertage <strong>und</strong><br />

sonstige freie Tage automatisch berücksichtigen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 57

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Ablauf <strong>und</strong> Ergebnisse der Projektplanung<br />

Anforderungen<br />

Projektstrukturplan<br />

Projekt<br />

Projektorganisationsplan<br />

Projektmanager<br />

Maier<br />

Teilprojekt<br />

A<br />

Teilprojekt<br />

B<br />

Teilprojekt<br />

C<br />

Assistant<br />

Müller<br />

A1<br />

B1<br />

C1<br />

A2<br />

C2<br />

Teilprojektmanager<br />

Bauer<br />

Teilprojektmanager<br />

Schneider<br />

A3<br />

B2<br />

C3<br />

Firma S<br />

Lehmann<br />

Arbeitspaket<br />

Schulze<br />

Abteilung U<br />

Schmidt<br />

Terminplan<br />

A1<br />

(Netzplan)<br />

B1<br />

A2<br />

C1<br />

C2<br />

C3<br />

Kostenplan<br />

Einsatzmittelplan<br />

B2<br />

A3<br />

Video: Projektmanagement bei studentischen Arbeiten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 58

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Risikomanagement<br />

– Risikomanagement befasst sich mit der Erkennung von Risiken <strong>und</strong> mit<br />

dem Aufstellen von Plänen zur Minimierung der Auswirkungen auf das<br />

Projekt.<br />

– Risiko = Wahrscheinlichkeit eines<br />

unerwünschten Ereignisses multipliziert mit Auswirkungen<br />

<br />

<br />

<br />

Projektrisiken wirken sich auf Zeitplan <strong>und</strong> Ressourcen aus<br />

Produktrisiken wirken sich auf Qualität <strong>und</strong> Performance des entwickelten<br />

Systems aus<br />

Geschäftsrisiken wirken sich auf das Unternehmen aus, das das technische<br />

System entwickelt oder beschafft.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 59

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Risikomanagement-Prozess<br />

Unternehmensziele,<br />

Strategie<br />

Anforderungen, Ziele<br />

Prozesse, Werkzeuge<br />

Planung, Umgebung<br />

Risiko-<br />

Strategie<br />

strategisches Risiko-<br />

Management<br />

Risiko-<br />

Identifikation<br />

Risiko-<br />

Evaluierung<br />

Risiko-<br />

Mitigierung*<br />

Risiko-<br />

Verfolgung<br />

Projekt-Reviews<br />

operatives<br />

Risiko-<br />

Management<br />

Liste mit<br />

"Roh-Risiken"<br />

Veränderte Rahmenbedingungen<br />

<strong>und</strong> Neuabschätzung<br />

Priorisierte<br />

Aktionsliste<br />

Risiko-Metriken<br />

* engl. mitigation (Linderung)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 60

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Risikoidentifikation <strong>und</strong> Evaluierung<br />

– Bewertung von Wahrscheinlichkeit <strong>und</strong> Bedeutung eines Risikos<br />

– Wahrscheinlichkeit kann zwischen sehr niedrig (1), niedrig (2), moderat (3),<br />

hoch (4) <strong>und</strong> sehr hoch (5) variieren<br />

– Risikoauswirkungen können katastrophal (4), ernst (3), tolerierbar (2) oder<br />

unbedeutend (1) sein<br />

Beispiele<br />

Risiko<br />

Wahrscheinlichkeit<br />

Risikoauswirkungen<br />

Wert<br />

Wichtige Personen werden krank<br />

moderat<br />

3<br />

ernst<br />

3<br />

9<br />

Es ist nicht möglich genügend Personal zu<br />

rekrutieren.<br />

hoch<br />

4<br />

katastrophal<br />

4<br />

16<br />

Das Unternehmen wird umstrukturiert <strong>und</strong> das<br />

Management des Projekts wird gewechselt<br />

hoch<br />

4<br />

ernst<br />

3<br />

12<br />

K<strong>und</strong>en verstehen die Auswirkungen von<br />

Anforderungsänderungen nicht<br />

moderat<br />

3<br />

tolerierbar<br />

2<br />

6<br />

...<br />

...<br />

...<br />

...<br />

...<br />

...<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 61

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Risikomitigierung (Linderung)<br />

Entwicklung von Strategien zur Bewältigung der jeweiligen Risiken<br />

– Vermeidungsstrategie (VS)<br />

Die Wahrscheinlichkeit <strong>für</strong> das Auftreten des Risikos wird reduziert<br />

– Mitigierungsstrategie (MS)<br />

Die Auswirkung des Risikos auf das Projekt wird reduziert<br />

– Ausfallplan (AP)<br />

Wenn das Risiko auftritt, dann tritt der Ausfallplan in Kraft<br />

Beispiele<br />

Risiko<br />

Krankheit des Personals<br />

Fehlerhafte Komponenten<br />

Umstrukturierung des Unternehmens<br />

Strategie<br />

Mehr Überschneidungen bei Arbeiten einführen, damit<br />

die Menschen die Aufgabe jedes anderen verstehen<br />

Einsatz neu erworbener Komponenten<br />

bekannter Zuverlässigkeit<br />

Zusammenfassung an höheres Management, um die<br />

Wichtigkeit des Projekts darzustellen.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 62

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Beispiele: Risiko <strong>und</strong> Mitigierungsvorschläge<br />

1<br />

Risiko<br />

Defizite bei den<br />

Ressourcen<br />

2 Unrealistische<br />

Zeitplanung <strong>und</strong> Budget<br />

3<br />

Falsche Funktionen<br />

werden entwickelt<br />

4 Falsche<br />

Benutzungsschnittstelle<br />

5 "Vergoldung"<br />

6<br />

7<br />

8<br />

9<br />

Ständige Änderungen<br />

der Anforderungen<br />

Defizite bei externen<br />

Komponenten<br />

Defizite im Outsourcing<br />

von Aktivitäten<br />

Defizite im Echtzeit-<br />

Verhalten<br />

10 Unzureichendes<br />

technisches Know-How<br />

Risiko-Mitigierung<br />

Fähigkeiten beachten; beste Fähigkeiten einsetzen; Bildung von Teams;<br />

Abstimmung mit Konkurrenzprojekten; Training von Ersatzpersonal<br />

Detaillierte Kostenschätzung; Design to Cost; inkrementelle Entwicklung;<br />

Wiederverwendung; Anforderungen durchforsten<br />

Analyse der Projektziele; Anwender-Interviews; Use-Cases; Prototyping;<br />

frühe Dokumentation; Quality-Function Deployment<br />

Prototyping; Use-Cases; Szenarios; Anwender-Interviews; Anwender-<br />

Mitarbeit<br />

Anforderungen durchforsten; Prototyping; Kosten-Nutzen-Analyse; Design<br />

to Cost; Wertanalyse<br />

Schwellen <strong>für</strong> Änderungsgenehmigungen; inkrementelle Entwicklung;<br />

Information Hiding<br />

Benchmarking der Lieferanten; Inspektionen; Kompatibilitätsanalyse;<br />

gemeinsame frühzeitige Tests<br />

Schnittstellenkontrolle; Audits vor jedem Meilenstein; anwendungs- <strong>und</strong><br />

ergebnis-orientierte Verträge; Wettbewerb; gemeinsame Teams<br />

Simulation; Modellierung; Prototypen; Instrumentierung; Performance-<br />

Tuning; frühe Testumgebungen <strong>für</strong> kritische Ressourcen<br />

intensive technische Analyse von Anforderungen vs. Fähigkeiten; Kosten-<br />

Nutzen-Analyse; Prototypen; Training; Coaching; Consulting<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 63

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Risikoverfolgung<br />

– Regelmäßige Bewertung jedes identifizierten Risikos, um zu<br />

entscheiden, ob es mehr oder weniger wahrscheinlich wurde<br />

– Bewertung, ob die Auswirkungen eines Risikos sich geändert haben<br />

– Jedes Schlüsselrisiko sollte beim Management-Meeting diskutiert<br />

werden<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 64

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Frage 1 zu Kapitel 1.3<br />

Das Management einer renommierten Firma aus dem Bereich der Energietechnik<br />

hat beschlossen, einen neuartigen Wechselrichter auf den Markt zu<br />

bringen. Bei der Entwicklung dieses Wechselrichters sollen Mitarbeiter aus<br />

den Fachbereichen Halbleitertechnik <strong>und</strong> <strong>Automatisierungs</strong>technik unter<br />

Führung eines Projekt-Leiters mitwirken.<br />

Trotz großer Bemühungen aller Beteiligter kommt das Projekt nicht richtig in<br />

Gang. Daher wird beschlossen, eine eigene Abteilung zur Entwicklung des<br />

Wechselrichters aufzubauen.<br />

Um was <strong>für</strong> ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt handelt es sich <strong>und</strong> welche Projekt-<br />

Organisationsformen werden eingesetzt?<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 65

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Frage 2 zu Kapitel 1.3<br />

Ein Gruppenleiter, dessen Gruppe seit fünf Monaten eine Komponente eines<br />

größeren Projekts entwickelt, be<strong>für</strong>chtet acht Wochen vor dem Fertigstellungstermin,<br />

dass dieser Termin nicht eingehalten werden kann. Da es sein<br />

erstes Projekt in dieser Stellung ist, gehen ihm verschiedene Reaktionsmöglichkeiten<br />

durch den Kopf. Welche der folgenden Reaktionen würden Sie<br />

empfehlen?<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Ich hoffe, dass mich mein Gefühl trügt <strong>und</strong> mache vorläufig gar nichts.<br />

Ich informiere meinen Abteilungsleiter.<br />

Ich verringere die Anforderungen innerhalb des vertraglichen Rahmens.<br />

Ich ordne Überst<strong>und</strong>en an.<br />

Ich versuche, einen zusätzlichen neuen Mitarbeiter zu bekommen.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 66

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Frage 3 zu Kapitel 1.3<br />

Bewerten Sie die Auswirkungen der folgenden Risiken<br />

(unbedeutend, tolerierbar, ernst, katastrophal):<br />

– Die einzige Kopie des Source-Codes geht verloren.<br />

– Der K<strong>und</strong>e ändert Anforderungen bezüglich der Farbgebung von Dialogen.<br />

– Der Projektleiter kündigt.<br />

– Für ihr Projekt relevante Normen werden geändert.<br />

– Ihr Unternehmen führt Gleitzeit ein.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 67

AT II<br />

§ 1 <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.6 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 68

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Wirtschaftliche Durchführung von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

Wirtschaftliche Anforderungen an <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.) Hohe Wirtschaftlichkeit des technischen Prozesses<br />

2.) Wirtschaftliche Entwicklung des <strong>Automatisierungs</strong>systems<br />

t<br />

Gewinn =<br />

TL<br />

<br />

t0<br />

{ E(<br />

t)<br />

[<br />

K<br />

T L<br />

E(t)<br />

K I (t)<br />

K B (t)<br />

I<br />

<br />

K<br />

B<br />

]( t)}<br />

dt <br />

Lebensdauer<br />

Einsparungen<br />

Investitionen<br />

Betriebskosten<br />

0<br />

Über die gesamte Lebensdauer T L muss ein Gewinn erzielt werden.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 69

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Einsparungspotenziale durch Sek<strong>und</strong>är-Effekte der<br />

Automatisierung<br />

– Höhere Zuverlässigkeit<br />

– Verbesserte Qualität der Ergebnisse<br />

– Erhöhte Betriebsbereitschaft <strong>und</strong> Lebensdauer<br />

– Höhere Flexibilität<br />

– Ökologische Verbesserungen<br />

– Menschlichere Arbeitsbedingungen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 70

Gewinn durch<br />

Automatisierung<br />

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Optimierung der Einsparungen durch geeignete Auslegung<br />

des <strong>Automatisierungs</strong>systems (Live-Mitschrieb)<br />

Kosten der<br />

Automatisierung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 71

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Wirtschaftlichkeit <strong>und</strong> Produktivität<br />

Wirtschaftlichkeit =<br />

Ertrag<br />

Aufwand<br />

Produktivität =<br />

Ergebnis des Projekts<br />

Aufwand <strong>für</strong> das Projekt<br />

Aufwand<br />

Ergebnis<br />

Einflussgrößen<br />

Metriken<br />

Einflussgrößen<br />

Beispiele <strong>für</strong> Metriken<br />

Personalaufwand<br />

Sach- <strong>und</strong><br />

Arbeitsmittelaufwand<br />

Schulungsaufwand<br />

Personenst<strong>und</strong>en<br />

(Kosten)<br />

Kosten<br />

Kosten<br />

Quantitativer Umfang<br />

von <strong>Automatisierungs</strong>system<br />

<strong>und</strong><br />

Dokumentation<br />

Qualität von <strong>Automatisierungs</strong>system,<br />

Dokumentation,<br />

Mensch-Prozess-<br />

Kommunikation<br />

Zahl der Programmzeilen,<br />

Zahl der Ein<strong>und</strong><br />

Ausgaben, Seiten<br />

der Dokumentation<br />

Maßzahlen <strong>für</strong> Komplexität,<br />

Änderungsfre<strong>und</strong>lichkeit,<br />

Zahl<br />

der Änderungen, Zahl<br />

der im Test aufgedeckten<br />

Fehler<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 72

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Einflussfaktoren bezüglich der Produktivität<br />

– Komplexität der Problemstellung<br />

– Produkteigenschaften<br />

– Ressourcen<br />

– Projektablauf<br />

– Projektbeteiligte<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 73

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Produktivitätsfaktoren nach Boehm<br />

Software-Kostenfaktoren-Merkmale<br />

1,2<br />

1,23<br />

1,23<br />

1,32<br />

1,34<br />

1,49<br />

1,49<br />

1,51<br />

1,56<br />

1,57<br />

1,66<br />

1,87<br />

2,36<br />

4,18<br />

1,0<br />

Programmiersprachen/Erfahrung<br />

Termindruck<br />

Größe der Datenbank<br />

Leistungsfähigkeit des Entwicklungssystems<br />

Erfahrung mit dem Zielsystem<br />

Änderungsanfälligkeit des Zielsystems<br />

Software-Tools<br />

Moderne Programmiermethoden<br />

Speicher-Beschränkung<br />

Anwendungserfahrung<br />

Begrenzung der Ausführungszeit (Deadline)<br />

Produkt-Zuverlässigkeit<br />

Produkt-Komplexität<br />

Personal-/Team-Qualifikation<br />

2,0 3,0 4,0<br />

Software-Produktivitätswerte<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 74

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Entstehung <strong>und</strong> Zusammensetzung von Kosten<br />

– Einzelkosten<br />

<br />

Geräte, Material, Gehälter etc.<br />

– Gemeinkosten<br />

<br />

Verwaltung, Büromaterial etc.<br />

Projektkosten<br />

– Gewinn<br />

<br />

Bietet Kalkulationsspielraum<br />

Kosten unterscheidbar in<br />

– Fixe Kosten<br />

– Variable Kosten<br />

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1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Methoden der Kostenrechnung<br />

– Top-down Kalkulation<br />

Endpreis fix<br />

Umrechnung auf Kosten<br />

– Bottom-up Kalkulation<br />

Kosten fix<br />

Umrechnung auf Endpreis<br />

– Freiheitsgrade bei Kalkulation<br />

<br />

<br />

Stückzahl, Funktionsumfang<br />

Gewinn<br />

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1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Wertanalyse<br />

Die Wertanalyse ist eine organisierte Anstrengung, die Funktion eines<br />

Produktes mit den niedrigsten Kosten zu erstellen, ohne dass die<br />

erforderliche Qualität, Zuverlässigkeit <strong>und</strong> Marktfähigkeit des Produkts<br />

negativ beeinflusst wird!<br />

Ziele der Wertanalyse<br />

– Bestehende Kosten senken, unnötige Kosten vermeiden<br />

– Marktgerechtes Gestalten von Leistungen<br />

– Optimierung des Kosten/Nutzen-Verhältnis<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 77

Kapital<br />

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 1.4<br />

In der Vorlesung haben Sie nachfolgende Formel <strong>für</strong> die Wirtschaftlichkeit der<br />

<strong>Automatisierungs</strong>technik kennen gelernt.<br />

Gewinn =<br />

t<br />

TL<br />

<br />

t0<br />

{ E(<br />

t)<br />

[<br />

K<br />

i<br />

<br />

K<br />

B<br />

]( t)}<br />

dt<br />

<br />

0<br />

T L<br />

E(t)<br />

K i (t)<br />

K B (t)<br />

Lebensdauer<br />

Einsparungen<br />

Investitionen<br />

Betriebskosten<br />

Veranschaulichen Sie diese Formel an folgendem Diagramm:<br />

Zeit<br />

Inbetriebnahme<br />

Außerdienststellung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 78

AT II<br />

§ 1 <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.6 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 79

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

AT II<br />

Der Computer als Werkzeug des Ingenieurs<br />

Eigenschaften von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

- hoher Innovationsgrad <strong>und</strong> hohe Komplexität<br />

Schwierigkeiten bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

- Zeitanforderungen im <strong>Automatisierungs</strong>system<br />

- Dokumentation, Versionen, Varianten<br />

- Projektmanagement <strong>und</strong> Qualitätssicherung<br />

Ziele der Rechnerunterstützung bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

- Vermeidung von Fehlern (Planung <strong>und</strong> Entwurf)<br />

- frühzeitige Abschätzung des Zeitverhaltens<br />

- Entlastung von Routinearbeiten<br />

- Unterstützung <strong>für</strong> das Projektmanagement <strong>und</strong> die Qualitätssicherung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 80

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

AT II<br />

CA-Werkzeugsysteme* (Übersicht)<br />

Engineering CAE Computer Aided Engineering<br />

CAPE Computer Aided Plant Engineering<br />

CACE Computer Aided Control Engineering<br />

Konstruktive <strong>und</strong> CAD Computer Aided Design<br />

fertigungstechnische CAM Computer Aided Manufacturing<br />

Ingenieurtätigkeiten CIM Computer Integrated Manufactoring<br />

System- bzw. CASE Computer Aided Software Engineering bzw.<br />

Softwareentwicklung<br />

Computer Aided Systems Engineering<br />

Querschnittsbereiche CAQ Computer Aided Quality<br />

CAT Computer Aided Testing<br />

SQMA Sicherheitsbezogene qualitative Modellierung <strong>und</strong> Analyse<br />

CAPM Computer Aided Project Management<br />

CACC Computer Aided Configuration Control<br />

Aus- <strong>und</strong> CAI Computer Aided Instruction<br />

Weiterbildung CBT Computer Based Training<br />

ITS Intelligent Tutoring Systems<br />

CAX Computer Aided Exercises<br />

* Computer Aided<br />

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1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

AT II<br />

Aufgaben von CAE/CACE-Systemen<br />

– Projektierung <strong>und</strong> Abwicklung technischer Anlagen<br />

– Simulation technischer Systeme<br />

– Analyse <strong>und</strong> Entwurf von Steuerungs- <strong>und</strong> Regelungssystemen<br />

(CACE = Computer Aided Control Engineering)<br />

– Logik-Entwurf von integrierten Schaltungen<br />

– Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Wartbarkeitsanalyse<br />

Aufgaben von CASE-Systemen<br />

– Umfassende Rechnerunterstützung des gesamten Entwicklungsprozesses<br />

<strong>und</strong> des gesamten Lebenszyklusses<br />

– Rechnerunterstützung <strong>für</strong> Entwicklungsmethoden<br />

– Rechnerunterstützung <strong>für</strong> das Projekt- <strong>und</strong> Konfigurationsmanagement<br />

– Projektübergreifende Verwendung einer zentralen Datenbank<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 82

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

AT II<br />

Rechnerunterstützte Simulation<br />

Simulationsmodell<br />

des <strong>Automatisierungs</strong>systems<br />

Funktionsnachweis<br />

Software-in-the-Loop-Simulation<br />

Simulationsmodell<br />

des technischen<br />

Prozesses<br />

Umsetzung nach<br />

Funktionsnachweis<br />

Schnittstellennachweis<br />

Hardware-in-the-Loop-Simulation<br />

Adaption<br />

Rapid Prototyping<br />

Umsetzung<br />

nach<br />

Funktionsnachweis<br />

<strong>Automatisierungs</strong>system<br />

Integration<br />

Realer technischer<br />

Prozess auf der<br />

technischen Anlage<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 83

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

AT II<br />

Software-in-the-Loop-Simulation (SIL)<br />

Bei einer Software-in-the-Loop-Simulation wird das Modell des<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systems in Code umgewandelt <strong>und</strong> mit einer Computer-<br />

Simulation des technischen Prozesses verb<strong>und</strong>en<br />

– Nutzen<br />

<br />

<br />

Gr<strong>und</strong>sätzlicher Nachweis der Funktionalität des<br />

<strong>Automatisierungs</strong>sytems ohne Realitätseinflüsse<br />

Fehler können bereits beim Entwurf erkannt werden<br />

– Schwierigkeiten<br />

<br />

<br />

Berücksichtigung der späteren Zielplattform (Geschwindigkeit, etc.)<br />

Durchführung nur durch Anpassung der Modelle aneinander möglich<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 84

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

AT II<br />

Hardware-in-the-Loop-Simulation (HIL)<br />

Bei einer Hardware-in-the-Loop-Simulation wird das <strong>Automatisierungs</strong>system<br />

oder ein Teil des <strong>Automatisierungs</strong>systems über spezielle Schnittstellen mit<br />

einer Computer-Simulation des technischen Prozesses verb<strong>und</strong>en<br />

– Nutzen<br />

<br />

<br />

Test des <strong>Automatisierungs</strong>systems ohne Risiko<br />

Fehler können vor Inbetriebnahme erkannt werden<br />

– Schwierigkeiten<br />

<br />

<br />

<br />

Realitätsnahe Modellierung des technischen Prozesses<br />

Echtzeitanforderungen an die Simulations-Hardware <strong>und</strong> Software<br />

Begrenzte Debugging-Möglichkeiten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 85

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

AT II<br />

Rapid-Prototyping (Beispiel-Werkzeug ASCET)<br />

Modellierung<br />

Einrichtung der Hardware<br />

Visualisierung<br />

ASCET<br />

Experimentalplattform ES1000<br />

(Echtzeit-Simulationsrechner)<br />

mit Schnittstelle zum<br />

technischen System<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 86

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

AT II<br />

Beispiele <strong>für</strong> CAE/CACE/CASE-Werkzeugsysteme<br />

Produkt<br />

Hersteller<br />

Einsatz / Bemerkungen<br />

Matlab / Simulink MathWorks (USA) Modellierung, Analyse <strong>und</strong> Simulation von<br />

zeitkontinuierlichen <strong>und</strong> zeitdiskreten Systemen.<br />

Rapid-Prototyping von eingebetteter Steuergerätesoftware<br />

mit Zusatzprodukten der Firma dSpace.<br />

ASCET-SD ETAS (D) Rapid-Prototyping (Modellierung, Simulation,<br />

Codegenerierung) von eingebetteter Steuergerätesoftware,<br />

hauptsächlich im Automobilbereich.<br />

Zeitkontinuierliche <strong>und</strong> Zeitdiskrete Modellierung.<br />

Statemate i-Logix (USA) Rapid-Prototyping von eingebetteter Steuergerätesoftware.<br />

Vorwiegend zeitdiskrete Modellierung.<br />

Rose RealTime IBM /Rational Objektorientierte Entwicklung (Requirements<br />

(USA)<br />

Engineering, Modellierung, Codegenerierung) von<br />

Echtzeitsoftware.<br />

Rhapsody i-Logix (USA) Objektorientierte Entwicklung von Echtzeitsoftware.<br />

Software trough<br />

Pictures UML<br />

Aonix (USA)<br />

Objektorientierte Entwicklung von Echtzeitsoftware.<br />

Tau Telelogic (Sw) Modellierung <strong>und</strong> Codegenerierung von Echtzeitsoftware.<br />

Unterstützt Statecharts <strong>und</strong> UML.<br />

Requirements Engineering durch Zusatzprodukt<br />

DOORS.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 87

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

AT II<br />

Rechnerunterstützte Erstellung von Dokumentation (1)<br />

– Aufgaben der Dokumentation<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Vermittlung von Kenntnissen über Zwischen- <strong>und</strong> Endergebnisse<br />

Arbeitsunterlage<br />

Unterstützung der Kommunikation<br />

Unterstützung der Qualitätssicherung, Konfigurationsmanagement,<br />

Pflege, Wartung<br />

– Anforderungen an die Dokumentation<br />

Verständlichkeit<br />

Aktualität<br />

Vollständigkeit<br />

Eindeutigkeit<br />

Widerspruchsfreiheit<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 88

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

AT II<br />

Rechnerunterstützte Erstellung von Dokumentation (2)<br />

– Vorteile einer rechnerunterstützten Erstellung von Dokumentation<br />

Dokumente sind aktuell<br />

Änderungen werden automatisch berücksichtigt<br />

Einheitliche Dokumentationsformen<br />

Jederzeit abrufbar<br />

Projektfortschrittskontrolle <strong>und</strong> Qualitätskontrolle jederzeit durchführbar<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 89

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

AT II<br />

Automatische Erzeugung von Dokumentation<br />

Formulierung der<br />

Sachverhalte mit<br />

Spezifikationssprachen<br />

Projektdatenbank<br />

Dokumentationsregeln<br />

Dokumentationswerkzeug<br />

Dokumente<br />

Video: AISA – Rechnergestützte Dokumentation<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 90

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 1.5<br />

Welchen Aussagen stimmen Sie zu?<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

CASE Systeme unterstützen den Ingenieur nur in den<br />

Entwicklungsphasen des <strong>Automatisierungs</strong>projekts<br />

Hardware-in-the-Loop-Simulationen erlauben es, das<br />

<strong>Automatisierungs</strong>system ohne Gefahr zu testen<br />

Eine Software-in-the-Loop-Simulation ist nur nach vorangegangener<br />

Hardware-in-the-Loop-Simulation möglich<br />

Der Einsatz rechnergestützter Dokumentation erleichtert die<br />

Qualitätssicherung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 91

AT II<br />

§ 1 <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.1 Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

1.2 Vorgehen bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.3 Projektmanagement von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.4 Wirtschaftliche Durchführung von <strong>Automatisierungs</strong>projekten<br />

1.5 Rechnerunterstützung <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte<br />

1.6 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 92

1.6 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Zusammenfassung Kapitel 1 (1)<br />

– Ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt ist ein Vorhaben zur Lösung einer<br />

<strong>Automatisierungs</strong>aufgabe durch Ingenieure.<br />

– I.d.R. arbeiten bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten Ingenieure unterschiedlicher<br />

Fachrichtungen zusammen, wie z.B. Technologen, SW-Ingenieure etc.<br />

– Bei <strong>Automatisierungs</strong>projekten unterscheidet man zwischen Produktautomatisierungsprojekten<br />

<strong>und</strong> Anlagenautomatisierungsprojekten.<br />

– Gr<strong>und</strong>tätigkeiten von <strong>Automatisierungs</strong>projekten sind: Technische Realisierung,<br />

Projektmanagement, Qualitätssicherung, Konfigurationsmanagement<br />

– Bei der technischen Realisierung unterscheidet man zwischen<br />

Projektierung <strong>und</strong> Entwicklung.<br />

– Die technische Realisierung gliedert sich gr<strong>und</strong>sätzlich in: Anforderungsdefinition,<br />

fachtechnische Konzeption, Systementwurf, Implementierung.<br />

– Gängige Vorgehensmodelle <strong>für</strong> <strong>Automatisierungs</strong>projekte sind das<br />

Wasserfallmodell, das Prototypen-orientierte Vorgehensmodell sowie das<br />

V-Modell des B<strong>und</strong>es.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 93

1.6 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Zusammenfassung Kapitel 1 (2)<br />

– Wichtige Hilfsmittel der Projektplanung sind: Projektstrukturplan,<br />

Projektorganisationsplan, Netzplan, Balkenplan.<br />

– Als kritischen Pfad bezeichnet man die Arbeitspaket-Sequenz, welche<br />

keine Pufferzeiten enthält.<br />

– Wirtschaftliche Durchführung bedeutet, dass die Einsparungen durch die<br />

Automatisierung höher sind als die Kosten der Automatisierung.<br />

– Kosten der Automatisierung sind sowohl Entwicklungskosten<br />

(Investitionen) als auch Betriebskosten.<br />

– Der Einsatz von Rechnerwerkzeugen entlastet von Routinearbeiten <strong>und</strong><br />

macht Komplexität beherrschbar.<br />

– Wichtige Rechnerwerkzeuge sind CACE- (Computer Aided Control<br />

Engineering) <strong>und</strong> CASE-Systeme (Computer Aided Software Engineering).<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 94

1.6 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Vorbereitungsfragen zu Kapitel 1<br />

Frage 1: Dokumente (WS 00/01)<br />

Worin besteht der Unterschied zwischen einem „Lastenheft“ <strong>und</strong> einem „Pflichtenheft“?<br />

Welche Abhängigkeiten existieren zwischen diesen Dokumenten?<br />

Frage 2: Projektplan (WS 00/01)<br />

Ermitteln sie die Gesamtdauer des in der Abbildung skizzierten Projektes „Xy“ <strong>und</strong> geben Sie<br />

dessen „kritischen Pfad“ an. Bewerten Sie den Plan.<br />

AP 1<br />

Dauer: 1 Woche<br />

AP 2.1<br />

Dauer: 2 Wochen<br />

AP 2.2<br />

Dauer: 3 Wochen<br />

AP 2.4<br />

Dauer: 3 Wochen<br />

AP 2.3<br />

Dauer: 2 Wochen<br />

AP 3<br />

Dauer: 1 Woche<br />

Frage 3: Projektphasen (WS 00/01)<br />

Worin unterscheiden sich die Projektphasen „Analyse“ <strong>und</strong> „Entwurf“?<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 95

AT II<br />

§ 2 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

Lernziele<br />

– Die Gr<strong>und</strong>aufgaben der <strong>Automatisierungs</strong>technik kennen<br />

– Die Verfahren zur Prozess-Signalerfassung verstehen<br />

– Die Verfahren zur Prozessüberwachung <strong>und</strong> Prozessdiagnose verstehen<br />

– Die Gr<strong>und</strong>züge der Regelung <strong>und</strong> Steuerung von Fließprozessen<br />

verstehen<br />

– Diskrete Steuerungen verstehen <strong>und</strong> entwerfen können<br />

– Ablaufsteuerungen mit Hilfe von Petri-Netzen analysieren können<br />

– Die Gr<strong>und</strong>züge der Mensch-Prozess-Kommunikation verstehen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 96

AT II<br />

§ 2 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

2.3 Prozessüberwachung<br />

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

2.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 97

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

AT II<br />

Gr<strong>und</strong>aufgaben der <strong>Automatisierungs</strong>technik<br />

– Prozessüberwachung<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Überwachung des regulären Prozessablaufs<br />

Anzeigen <strong>für</strong> das Betriebspersonal<br />

Diagnose über mögliche Ursachen eines irregulären Betriebsablaufs<br />

Prozesssicherung<br />

– Prozessführung<br />

<br />

<br />

<br />

Beeinflussung von Energie- <strong>und</strong> Masseströmen zum wirtschaftliches Erreichen<br />

eines Prozessergebnisses unter Einhaltung von Randbedingungen<br />

Steuerung <strong>und</strong> Regelung einzelner Prozessgrößen <strong>und</strong> gesamter<br />

technischer Anlagen<br />

Operative Produktionsführung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 98

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

AT II<br />

Lösung von <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben<br />

Ansatz: Anwendung von <strong>Automatisierungs</strong>verfahren auf Basis eines<br />

Prozessmodells (= abstraktes Modell des techn. Prozesses)<br />

funktionale <strong>und</strong> nicht-funktionale<br />

Anforderungen<br />

Wissen über den zu automatisierenden<br />

technischen Prozess<br />

in Form eines Prozessmodells.<br />

Entwurf von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

zur Lösung der gestellten<br />

<strong>Automatisierungs</strong>aufgaben<br />

Ein Ansatz zur fachtechnischen<br />

Lösung der <strong>Automatisierungs</strong>aufgabe<br />

Ein Gütekriterium zur Bewertung<br />

der entworfenen Lösung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 99

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

AT II<br />

Begriffsbildung „Modell“<br />

Modell<br />

Muster, Abbild, Vorbild, Vorlage<br />

– Charakteristika<br />

<br />

Wiedergabe eines realen oder geplanten Gegenstandes zu Studien-,<br />

Versuchs- oder Spielzwecken<br />

Deskriptive Modelle: Abbilder vorhandener Originale<br />

Präskriptive Modelle: Vorbilder <strong>für</strong> geplante Originale<br />

<br />

Vereinfachende, auf das Wesentliche <strong>und</strong> Relevante fokussierende Darstellung<br />

zur Veranschaulichung einer komplizierten Wirklichkeit<br />

– Modellzweck<br />

<br />

<br />

<br />

Verstehen von Zusammenhängen, Sachverhalten, Abläufen<br />

Kommunikationsmittel<br />

Repräsentation von noch nicht real vorhandenen Sachverhalten <strong>und</strong> Abläufen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 100

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

AT II<br />

Analyse eines technischen Prozesses mit Hilfe eines<br />

deskriptiven (= beschreibenden) Modellansatzes<br />

Welt der<br />

Realität<br />

Realer<br />

technischer<br />

Prozess<br />

Experimente in<br />

der Realität<br />

Abstraktion<br />

nach einem<br />

Modellierungskonzept<br />

Welt der<br />

Modelle<br />

Deskriptives Modell<br />

des technischen<br />

Prozesses<br />

Experimente am<br />

Modell (Simulation)<br />

Ergebnis der<br />

Experimente<br />

in der Realität<br />

Vergleich,<br />

Auswertung<br />

Ergebnis der<br />

Experimente am<br />

Modell<br />

Verbessertes Modell<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 101

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

AT II<br />

Konzipierung eines Lösungsverfahrens mit Hilfe eines<br />

präskriptiven (= vorschreibenden) Modellansatzes<br />

Welt der<br />

Realität<br />

Zukünftiges, zu<br />

entwerfendes<br />

<strong>Automatisierungs</strong>system<br />

(Problemstellung,<br />

Anforderungen)<br />

Aufbau des<br />

realen<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systems<br />

kreative<br />

Abstraktion<br />

nach einem<br />

Modellierungskonzept<br />

Verwirklichung<br />

(Modell als Gr<strong>und</strong>lage<br />

<strong>für</strong> die<br />

Implementierung)<br />

Welt der<br />

Modelle<br />

Präskriptiver Modellansatz<br />

zur Lösung des<br />

<strong>Automatisierungs</strong>problems<br />

Ausbau des angesetzten<br />

präskriptiven Modells<br />

Untersuchung des Verhaltens<br />

in Verbindung mit<br />

deskriptivem Modell des<br />

technischen Prozesses<br />

Detaillierung des<br />

präskriptiven Modells<br />

aus Sicht der<br />

Realisierbarkeit<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 102

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

AT II<br />

Modell eines Automatisierten Systems<br />

Analyse des TP<br />

Deskriptives<br />

Modell des<br />

technischen<br />

Prozesses<br />

Synthese des AS<br />

Präskriptives<br />

Modell des<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systems<br />

Deskriptives Teilmodell gewonnen<br />

aufgr<strong>und</strong> der Analyse des technischen<br />

Prozesses (Prozessmodell)<br />

Präskriptives Teilmodell entworfen im<br />

Rahmen einer Synthese zur Erzielung<br />

des gewünschten Verhaltens<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 103

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

AT II<br />

Anwendung von Prozessmodellen im Rahmen einer<br />

Simulation<br />

– Test von <strong>Automatisierungs</strong>systemen vor der Inbetriebnahme<br />

– Verbesserung der Kenntnis über Prozessgrößen<br />

– Modellgestützte Diagnose zur Erkennung von Abweichungen<br />

– Ausbildung des Prozesspersonals, insbesondere in Stör- <strong>und</strong><br />

Ausnahmesituationen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 104

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 2.1<br />

Für welche beiden Aufgabenstellungen benötigt man bei einem<br />

<strong>Automatisierungs</strong>projekt ein Prozessmodell?<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 105

Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

§ 2 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

2.3 Prozessüberwachung<br />

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

2.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 106

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

AT II<br />

Prozess-Signalerfassung <strong>und</strong> Aufbereitung<br />

Ziel:<br />

Zeitgerechte Bereitstellung rechnerverarbeitbarer Prozessdaten,<br />

welche den physikalischen Prozessgrößen entsprechen<br />

Arten der Signalerfassung<br />

– Amplitudenanaloge Sensoren, z.B. Thermoelemente, Widerstandsgeber<br />

– Frequenzanaloge Sensoren, z.B. Druckgeber mit frequenzmoduliertem<br />

Ausgangssignal<br />

– Binäre Geber, z.B. Endschalter<br />

– Digitale Geber, z.B. Winkelcodierer<br />

– Impulsgeber, z.B. Stückzählsonden, Drehzahlgeber<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 107

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

AT II<br />

Realisierung der Prozess-Signaleingabe<br />

– Herkömmliche Technik<br />

<br />

<br />

Einzelne Prozess-Signale sternförmig über Mehraderleitungen von<br />

den Sensoren zum <strong>Automatisierungs</strong>computersystem<br />

Prozessaufbereitung vollständig in diesem Computersystem<br />

– Anwendung von Feldbussystemen<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Jedem Sensor im Feldbereich wird ein <strong>Automatisierungs</strong>computer<br />

zugeordnet<br />

Verbindung über Buskoppler zum <strong>Automatisierungs</strong>computersystem<br />

Prozessdatenaufbereitung in den <strong>Automatisierungs</strong>computern<br />

Zusätzliche Plausibilitätsprüfung im <strong>Automatisierungs</strong>computersystem<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 108

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

AT II<br />

Signaldurchschaltung<br />

– Zyklische Signaldurchschaltung<br />

<br />

Äquidistante Zeitabstände bei ständiger Verfügbarkeit<br />

– Azyklische Signaldurchschaltung<br />

<br />

Spontane Durchschaltung bei gezielter Auswahl<br />

Signaldurchschaltung binärer bzw. digital codierter<br />

Prozessgrößen<br />

Anwendungsregeln<br />

– Spontane Durchschaltung bei kurzer Erkennungsdauer<br />

– Spontane Durchschaltung bei Binärsignalen, die sich selten ändern<br />

– Zyklische Durchschaltung bei sich häufig ändernden Binärsignalen <strong>und</strong><br />

wenn keine schnellen Erkennungszeiten notwendig sind<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 109

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

AT II<br />

Plausibilitätsprüfung<br />

– Feststellung der Gültigkeit der erhaltenen Fertigwerte,<br />

unsinnige Fertigwerte erkennen<br />

– Erhöhung der Verfügbarkeit des automatisierten Gesamtsystems<br />

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2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

AT II<br />

Verfahren zur Plausibilitätsprüfung (1)<br />

– Statische Plausibilitätsprüfung<br />

y<br />

iF<br />

min<br />

<br />

y<br />

kT)<br />

<br />

y<br />

iF ( iF<br />

max<br />

– Dynamische Plausibilitätsprüfung<br />

y<br />

iF<br />

min<br />

<br />

y ( ) [( 1) ]<br />

|<br />

iF kT yiF<br />

k T<br />

| yiF<br />

T<br />

max<br />

– Anwendung einer Sek<strong>und</strong>ärwert-Prüfung<br />

<br />

<br />

Zuordnung von anderen Prozessgrößen als Sek<strong>und</strong>ärwerte, die in Relation zu<br />

erfassender Prozessgröße stehen<br />

Wenn Primärwert außerhalb Plausibilitätsgrenzen Überprüfung, ob<br />

Sek<strong>und</strong>ärwerte entsprechende Abweichungen zeigen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 111

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

AT II<br />

Verfahren zur Plausibilitätsprüfung (2)<br />

– Anwendung red<strong>und</strong>anter Sensoren<br />

<br />

2-von-3-Auswahl bei sicherheitsrelevanten Prozessgrößen<br />

– Mehrfacherfassung<br />

<br />

Kurzzeitige mehrfache Erfassung zur Erkennung kurzzeitiger Störungen<br />

– Vergleich mit Eichwerten<br />

<br />

<br />

Umschaltung auf Eichspannungsquelle<br />

Erkennung von Driftfehlern, nur bei hoher Genauigkeit sinnvoll<br />

– Prozessmodell<br />

<br />

<br />

Vergleich gemessener Größe mit Größe aus Prozessmodell<br />

Voraussetzung: ausreichend genaues Prozessmodell<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 112

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

AT II<br />

Beispiel <strong>für</strong> die Anwendung einer Sek<strong>und</strong>ärwert-Prüfung zur<br />

Plausibilitätsprüfung (1)<br />

Skizze eines Gleitlagers einer Turbine<br />

Prozess-Signal<br />

"Lagertemperatur"<br />

J L<br />

(t)<br />

Temperatur-<br />

Sensor<br />

Gleitlager<br />

einer<br />

Turbine<br />

s<br />

Öldruck-<br />

Sensor<br />

Prozess-Signal P L<br />

(t)<br />

"Öldruck im Lager"<br />

Druckölzufuhr<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 113

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

AT II<br />

Beispiel <strong>für</strong> die Anwendung einer Sek<strong>und</strong>ärwert-Prüfung zur<br />

Plausibilitätsprüfung (2)<br />

Erfasster Verlauf<br />

des Prozess-<br />

Signals P L (kT)<br />

P L<br />

(kT)<br />

T<br />

t<br />

Erfasster Verlauf<br />

des Prozess-<br />

Signals J L (kT)<br />

J L (kT)<br />

t<br />

Erfahrungswissen: Lagertemperatur<br />

steigt bei zu geringem Öldruck<br />

Offenbar liegt Sensorfehler bei<br />

Öldrucksensor vor<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 114

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

AT II<br />

Plausibilitätsprüfung von binären Prozessgrößen<br />

– Anwendung red<strong>und</strong>anter Binärwertgeber<br />

<br />

<br />

<br />

Geringer Mehraufwand<br />

Beispiele: Wechselkontakt statt einfachem Arbeits- oder Ruhekontakt<br />

Prüfung auf Antivalenz der beiden Binärsignale<br />

– Anwendung von Sek<strong>und</strong>ärwertprüfung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 115

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

AT II<br />

Beispiel <strong>für</strong> die Anwendung einer Sek<strong>und</strong>ärwertprüfung zur<br />

Plausibilitätskontrolle von Binärsignalen<br />

Schwimmer<br />

Prozess-Signal „Ölbehälter“<br />

Ölbehälter<br />

Prozess-Signal „Hauptölpumpe“<br />

Gleitlager<br />

einer Turbine<br />

M<br />

M<br />

Hilfsölpumpe<br />

Hauptölpumpe<br />

Manometer<br />

Prozess-Signal „Öldruck“<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 116

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 2.2<br />

In einem Schienenverkehrssystem soll die Stellung von Weichen erfasst <strong>und</strong><br />

überwacht werden. Es sei angenommen, dass <strong>für</strong> jede Weichenstellung ein<br />

mit der Weiche mechanisch verb<strong>und</strong>ener Kontakt vorgesehen ist.<br />

Würden Sie bei der Erfassung der Kontaktstellungen (d.h. der Binärsignale<br />

von den Weichen) eine spontane Durchschaltung (mit Interrupt) oder eine<br />

zyklische Abfrage wählen?<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 117

AT II<br />

§ 2 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

2.3 Prozessüberwachung<br />

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

2.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 118

Prozesssignale<br />

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Aufgaben der Prozessüberwachung<br />

Warte<br />

Ermittlung des<br />

Prozesszustands<br />

Schlussfolgerung von<br />

Maßnahmen<br />

Ermittlung der Ursachen<br />

<strong>für</strong> Abweichungen vom<br />

regulären Betrieb<br />

Ausgabe von<br />

Alarmmeldungen<br />

Automatischer Schutz bei<br />

Gefahren <strong>und</strong><br />

Notfallsituationen<br />

Technischer Prozess<br />

Prozesssignal-Erfassung<br />

Wartungspersonal<br />

Wartung<br />

Früherkennung sich<br />

anbahnender Fehler <strong>und</strong><br />

Ausfälle<br />

Video: Prozessüberwachung bei einem Kraftwerk<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 119

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Ermittlung <strong>und</strong><br />

Auswertung von<br />

Fehlerursachen<br />

Irregulärer Betrieb aufgr<strong>und</strong><br />

eines Fehlers, Ausfalls, Störung<br />

Symptome erkennen (z.B.<br />

Toleranzüberschreitungen)<br />

Fehlerdiagnose (grob) zur<br />

Ermittlung der Fehlerursache<br />

Fehlerbewertung bzgl. möglicher<br />

Auswirkungen<br />

Stabilisierungsmaßnahmen<br />

(zur Weiterführung<br />

des Betriebs)<br />

Abschaltemaßnahmen<br />

Sicherungsmaßnahmen<br />

(Prozess in sicheren<br />

Zustand überführen)<br />

Fehlerdiagnose (fein) zur Ermittlung<br />

von Fehlerart <strong>und</strong> Fehlerort<br />

Fehlerbeseitigung<br />

Wiederaufnahme des regulären<br />

Betriebs<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 120

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Überwachung unterschiedlicher Zeitbereiche<br />

– Prozess-Vergangenheit<br />

<br />

<br />

Untersuchung des zurückliegenden Verlaufs<br />

Ursachenermittlung <strong>für</strong> Ausfall bzw. Schaden (Post-Mortem-Analyse)<br />

– Prozess-Gegenwart<br />

<br />

<br />

Schritthaltende Überwachung des aktuellen Verlaufs<br />

Reaktion bevor Ausfall oder Schaden eintritt<br />

– Prozess-Zukunft<br />

<br />

<br />

<br />

Abschätzung des künftigen Verlaufs<br />

Frühzeitige Erkennung unerwünschter Entwicklungen<br />

Einleitung von Gegenmaßnahmen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 121

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Konzepte zur Prozessüberwachung<br />

– Signalorientierte Prozessüberwachung<br />

<br />

Prozessüberwachung anhand der Analyse einzelner Prozesssignale<br />

– Informationsorientierte Prozessüberwachung<br />

<br />

Betrachtung <strong>und</strong> Auswertung des Zusammenwirkens mehrerer<br />

Prozesssignale<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 122

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Signalorientierte Prozessüberwachung<br />

– Verfahren zur Überwachung zeitkontinuierlicher Prozessgrößen<br />

<br />

<br />

<br />

Überwachung auf Einhaltung fester Grenzwerte<br />

Überwachung auf gleitende Grenzen<br />

Überwachung der zeitlichen Änderungsrate<br />

– Verfahren zur Überwachung binärer Prozessgrößen<br />

<br />

Überwachung mit Hilfe von Zulässigkeitstabellen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 123

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Überwachung auf Einhaltung fester Grenzen<br />

Prozessgröße y F (t)<br />

y So<br />

Schadensgrenze<br />

Gefahren-Bereich<br />

unzulässiger<br />

irregulärer Bereich<br />

zulässiger<br />

irregulärer Bereich<br />

regulärer Bereich<br />

zulässiger<br />

irregulärer Bereich<br />

unzulässiger<br />

irregulärer Bereich<br />

y Ao<br />

y Wo<br />

y Bo<br />

y Bu<br />

y Wu<br />

y Au<br />

obere Außerbetriebnahmegrenze<br />

(obere Überwachungsgrenze II, Hauptalarm)<br />

obere Warngrenze (obere Überwachungsgrenze I, Voralarm)<br />

obere Betriebsnenngrenze<br />

untere Betriebsnenngrenze<br />

untere Warngrenze (untere Überwachungsgrenze I, Voralarm)<br />

untere Außerbetriebnahmegrenze<br />

(untere Überwachungsgrenze II, Hauptalarm)<br />

Dauer der Überschreitung<br />

der Betriebsnenngrenze<br />

T D<br />

t<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 124

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Beispiele <strong>für</strong> automatische Schutzmaßnahmen bei einer<br />

gefährlichen Überschreitung der Außerbetriebnahmegrenze<br />

Technisches<br />

System<br />

Prozessgröße<br />

Dampfkessel Dampfdruck<br />

Elektromotor Temperatur<br />

der<br />

Wicklung<br />

Elektrische Strom<br />

Leitung<br />

Elektrisches<br />

Haushalts-<br />

Gerät<br />

Dampfturbine<br />

Gefährliche<br />

Überschreitung<br />

der Außerbetriebnahme-<br />

Grenze<br />

Überdruck<br />

Überhitzung<br />

durch<br />

Überlast<br />

Überstrom bei<br />

Kurzschluss<br />

Spannung Spannung am<br />

Gehäuse bei<br />

fehlerhafter<br />

Isolierung<br />

Drehzahl<br />

Drehzahl zu<br />

hoch<br />

Automatische<br />

Schutzmaßnahme<br />

Öffnen eines<br />

Überdruckventils<br />

Stromunterbrechung<br />

Stromkreisunterbrechung<br />

Abschalten der<br />

Spannung<br />

Schließen des<br />

Schnellschlussventils<br />

Schutzeinrichtung<br />

Notventil<br />

Temperatur-<br />

Schutzschalter<br />

Sicherung<br />

Sicherung<br />

(Schutzkontakt)<br />

bzw. Fehlerstrom-Schutzschalter<br />

Schnellschlussventil<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 125

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Mögliche Fehlentscheidung bei Überwachung auf Einhaltung<br />

fester Grenzen<br />

– Grenzwertüberschreitung wird nicht erkannt wegen überlagerter Störung<br />

– Grenzwertüberschreitung wird wegen überlagerter Störung<br />

fälschlicherweise erkannt<br />

y Phys (t)<br />

y(t)<br />

nicht erkannte<br />

Grenzwertüberschreitung<br />

fälschlich<br />

gemeldete<br />

Grenzwertüberschreitung<br />

Warngrenze<br />

Verlauf des<br />

gestörten<br />

Prozesssignals y(t)<br />

Verlauf der<br />

Prozessgröße y Phys (t)<br />

t<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 126

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Überwachung auf gleitende Grenzen<br />

y IF (t)<br />

obere<br />

Grenzkurve<br />

y IF (t)<br />

untere<br />

Grenzkurve<br />

– Anwendung bei instationärem Betrieb (z.B. Anfahren)<br />

– Ermittlung der Grenzkurven durch ...<br />

Speicherung von Funktionswerten <strong>und</strong> Interpolation (Stützpunktmethode)<br />

Approximation durch eine analytisch oder empirisch angesetzte Funktion<br />

t<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 127

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Überwachung der zeitlichen Änderungsrate<br />

Differenzenquotient:<br />

|<br />

y<br />

iF<br />

(kT) <br />

y<br />

T<br />

iF<br />

[(k<br />

1)T]<br />

|<br />

y<br />

|<br />

T<br />

iF<br />

|<br />

max<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 128

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Überwachung der zeitlichen Änderungsrate in Kombination<br />

mit einzuhaltenden Warngrenzen<br />

Y Wo obere Warngrenze<br />

Y Wu untere Warngrenze<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 129

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Überwachung binärer Prozessgrößen<br />

Gr<strong>und</strong>sätzlicher Aufbau einer Zulässigkeitstabelle zur Überwachung von<br />

binären Prozess-Signalen. (Die Markierung besagt, dass bei der betreffenden<br />

Betriebsart <strong>und</strong> in dem genannten Zeitbereich eine Änderung der in den<br />

Spalten angegebenen Binärsignale zulässig ist).<br />

Betriebsart<br />

Binäres Prozess-Signal Nr.<br />

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 5<br />

A<br />

B<br />

C<br />

Zeitbereich 1 Zeitbereich 2 Zeitbereich 3<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 130

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Nachträgliche Störungsaufklärung<br />

Kenntnis des zeitlichen Ablaufes der Störungsauswirkung <strong>und</strong><br />

Störungsausbreitung erforderlich<br />

"Trend recording" - Verfahren<br />

– Temporäre Speicherung von Prozessgrößen während Zeitspanne T i<br />

y Phys (t)<br />

Außerbetriebnahmegrenze<br />

T i<br />

Abschaltung des<br />

technischen Prozesses<br />

t<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 131

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Informationsorientierte Prozessüberwachung<br />

Zielsetzungen:<br />

– Ermittlung von Ratschlägen <strong>für</strong> das Prozesspersonal<br />

<br />

<br />

Maßnahmen zur Erzielung optimaler Betriebsergebnisse<br />

(nicht zeitkritisch)<br />

Reaktion auf Störung/Ausfälle (zeitkritisch)<br />

– Frühzeitige Erkennung sich anbahnender Fehler <strong>und</strong> Ausfälle<br />

<br />

Einsparung von Ausfallkosten<br />

Umsetzung:<br />

– Prozessüberwachung unter Verwendung quantitativer Modelle<br />

– Prozessüberwachung unter Verwendung qualitativer Modelle<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 132

Fehlersignale<br />

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Informationsorientierte Prozessüberwachung durch direkten<br />

Modellvergleich<br />

Fehlerursachen<br />

Modell des fehlerhaften<br />

Verhaltens (Pathologisches<br />

Modell)<br />

Fehlersignaturen<br />

Vergleich zur<br />

Fehlerartbestimmung<br />

Modell des technischen<br />

Prozesses in der idealen,<br />

fehlerfreien technischen<br />

Anlage (einschließlich<br />

Aktorik <strong>und</strong> Sensorik)<br />

ideale Ausgangsgrößen<br />

+<br />

-<br />

Eingangsgrößen<br />

Aktorik<br />

Reale technische Anlage<br />

zu überwachendes<br />

technisches<br />

System<br />

Sensorik<br />

reale<br />

Ausgangsgrößen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 133

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Informationsorientierte Prozessüberwachung durch direkten<br />

Modellvergleich bei Verwendung globaler Kenngrößen<br />

Beispiele <strong>für</strong> globale<br />

Kenngrößen:<br />

<br />

Energieverbrauchsbilanz<br />

Kenngrößenmodell bei<br />

Annahme von<br />

bestimmten Fehlern<br />

Fehlerursachen<br />

Vergleich<br />

<br />

<br />

Wirkungsgrad<br />

Materialdurchsatz<br />

globale<br />

Kenngröße<br />

Berechnung von globalen Kenngrößen,<br />

wie z.B. Energieverbrauchsbilanz,<br />

Wirkungsgrad usw.<br />

Technische Anlage<br />

Aktorik<br />

zu überwachendes<br />

technisches System<br />

Sensorik<br />

Eingangsgrößen<br />

Ausgangsgrößen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 134

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Informationsorientierte Prozessüberwachung durch indirekten<br />

Modellvergleich auf Gr<strong>und</strong>lage einer Zustandsschätzung<br />

Modell des fehlerhaften Verhaltens<br />

(Pathologisches Modell)<br />

Vergleich<br />

Fehlersignatur<br />

der Zustandsgrößen<br />

Fehlerursachen<br />

Modell des technischen Prozesses<br />

in der idealen, fehlerfreien technischen<br />

Anlage (mit Aktorik <strong>und</strong><br />

Sensorik)<br />

Zustandsbeobachter<br />

Modell des beobachteten<br />

technischen Prozesses<br />

Ideale<br />

Zustandsgrößen<br />

+<br />

-<br />

Zustands-<br />

größen-<br />

Fehler<br />

mit Hilfe des<br />

Modells geschätzte<br />

Zustandsgrößen<br />

geschätzte<br />

Prozessgrößen<br />

Multiplikation<br />

mit Parametern<br />

Fehlergrößen<br />

+<br />

-<br />

Reale technische Anlage<br />

Eingangsgrößen<br />

Aktorik<br />

zu überwachendes<br />

technisches System<br />

Sensorik<br />

meßbare Prozessgrößen<br />

(Ausgangsgrößen<br />

<strong>und</strong> Meßbare<br />

Zustandsgrößen)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 135

2.3 Prozessüberwachung<br />

Informationsorientierte<br />

Prozessüberwachung durch<br />

indirekten Modellvergleich<br />

auf Gr<strong>und</strong>lage eines<br />

Identifikationsverfahrens<br />

Charakteristische<br />

Änderungen der<br />

Systemkoeffizienten<br />

bei Fehlern <strong>und</strong><br />

Ausfällen<br />

Normalwert der<br />

physikalischen<br />

Systemkoeffizienten<br />

Fehlerursachen<br />

Vergleich<br />

+<br />

-<br />

Änderung der<br />

Systemkoeffizienten<br />

gegenüber den<br />

Normalwerten<br />

Berechnen von<br />

Systemkoeffizienten<br />

aus Modellparametern<br />

geschätzte<br />

Systemkoeffizienten<br />

AT II<br />

geschätzte Parameter<br />

Modell des technischen Prozesses<br />

mit geschätzten Parametern<br />

Ausgangsgrößen<br />

des Modells<br />

Parameterschätzung<br />

durch Minimierung der<br />

Summe der Fehlerquadrate<br />

Fehlergrößen<br />

+<br />

-<br />

Reale technische Anlage<br />

reale Ausgangsgrößen<br />

Eingangsgrößen<br />

Aktorik<br />

zu überwachendes<br />

technisches System<br />

Aktorik<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 136

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Frage 1 zu Kapitel 2.3<br />

Der Füllstand eines Behälters wurde bisher signalorientiert überwacht.<br />

Welche kritische Situation kann auf diese Weise nicht entdeckt werden? Wie<br />

würden Sie eine informationsorientierte Überwachung realisieren?<br />

Signalorientierte Überwachung<br />

der Füllhöhe<br />

Füllhöhe<br />

h<br />

cm<br />

Behälter<br />

Ventil<br />

Digitale Darstellung des Messwerts<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 137

2.3 Prozessüberwachung<br />

AT II<br />

Frage 2 zu Kapitel 2.3<br />

Für die Prozessüberwachung durch indirekten Modellvergleich kann eine<br />

Zustandsschätzung oder ein Identifikationsverfahren (Schätzung der<br />

Parameter) verwendet werden. Welches Verfahren würden Sie bei den<br />

folgenden Systemen anwenden? Begründen Sie Ihre Meinung.<br />

SYSTEM A<br />

SYSTEM B<br />

Einlassventil<br />

Füllstandsmelder<br />

R1<br />

Behälter<br />

A<br />

Behälter<br />

B<br />

Auslassventil<br />

U1<br />

R2<br />

J<br />

U2<br />

R3<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 138

AT II<br />

§ 2 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

2.3 Prozessüberwachung<br />

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

2.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 139

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Was sind Fließprozesse?<br />

– Fließprozesse: Technische Prozesse mit kontinuierlichen Vorgängen<br />

<br />

<br />

Zeitkontinuierliche Prozessgrößen<br />

Zeitdiskrete Prozessgrößen mit kontinuierlichem Wertebereich<br />

Beispiel: Heizung<br />

abströmende<br />

Wärmemenge<br />

Innentemperatur<br />

J<br />

Heizkörper<br />

Umgebungs-<br />

Temperatur<br />

( J u<br />

< J)<br />

J u<br />

Pumpe<br />

Warmwasser-<br />

Heizkessel<br />

zugefügte<br />

Wärmemenge<br />

q e<br />

Brenner<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 140

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Modellierung von Fließprozessen (1)<br />

– Quantitative Beschreibung von Fließprozessen (zeitkontinuierlich oder<br />

zeitdiskret) ist Gr<strong>und</strong>lage aller systemdynamischen bzw. regelungstechnischen<br />

Untersuchungen<br />

<br />

Gewöhnliche oder partielle Differential- oder Differenzengleichungen<br />

Differentialgleichung des Beispiels Heizung<br />

T<br />

dJ(<br />

t)<br />

dt<br />

J(<br />

t)<br />

J<br />

U<br />

( t)<br />

<br />

1<br />

c<br />

q<br />

e<br />

( t)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 141

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Modellierung von Fließprozessen (2)<br />

Ermittlung eines analytischen<br />

Prozessmodells<br />

Vereinfachende Annahmen über<br />

den technischen Prozess<br />

Aufstellen von physikalischen oder<br />

chemischen Zusammenhängen<br />

Geeignete Umformung <strong>und</strong> Normierung,<br />

Anpassen der Parameter<br />

Ermittlung eines empirischen<br />

Prozessmodells<br />

Experimente am technischen Prozess:<br />

Messung von Prozessgrößenverläufen<br />

Ansatz eines (im allg.<br />

nichtlinearen) Ausdrucks<br />

Variation der Struktur <strong>und</strong>/oder der<br />

Parameter des Ansatzes zur Approximation<br />

der gemessenen Prozessgrößenverläufe<br />

Validierung des Modells (bezüglich<br />

Struktur <strong>und</strong> Parameter) durch<br />

Vergleich mit dem Verhalten des<br />

technischen Prozesses<br />

Validierung des Betriebsbereiches,<br />

in welchem die Approximation befriedigend<br />

ist<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 142

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Modellierung von Fließprozessen (3)<br />

– Aufstellung von physikalischen oder chemischen Zusammenhängen<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Anwendung von Erhaltungssätzen <strong>für</strong> Masse, Energie, Impuls<br />

(Bilanzgleichungen)<br />

Einführung von Aggregatzustandsgleichungen bei unterschiedlichen<br />

Aggregatzuständen<br />

Einführung von phänomenologischen Gesetzen bei irreversiblen<br />

Vorgängen<br />

Aufstellung von Entropiebilanzgleichungen bei mehreren irreversiblen<br />

Vorgängen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 143

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Signalflusspläne (Wirkungspläne)<br />

– Beschreibung von Differential- oder Differenzengleichungen in Form von<br />

Eingangs-Ausgangs-Modellen<br />

Eingangssignal-<br />

(vektor) e(t)<br />

Übertragungsblock f(e)<br />

Ausgangssignal-<br />

(vektor) a(t)<br />

e(t)<br />

a(t) = f(e(t))<br />

a(t)<br />

Beschreibung durch:<br />

‣ Differentialgleichung<br />

‣ Übertragungsfunktion F(p) = a(p) / e(p) <strong>für</strong> Laplace-transformierte Signale e(p) <strong>und</strong> a(p)<br />

‣ Frequenzgangfunktion <strong>für</strong> harmonische Eingangssignale (mit p = jω)<br />

‣ Sprungantwort auf plötzliche Änderung der Eingangssignale<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 144

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Elementare Signalflussstrukturen<br />

– Verkettung<br />

x<br />

K1<br />

K1*x<br />

K2<br />

K2*K1*x<br />

– Verzweigung<br />

x<br />

x<br />

x<br />

– Summation x1<br />

x2<br />

x3<br />

+<br />

– -x1 + x2 + x3<br />

+<br />

– Multiplikation<br />

<strong>und</strong> Division<br />

x1<br />

x2<br />

<br />

x1 * x2<br />

x1<br />

x2<br />

<br />

x1 / x2<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 145

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Elementare Übertragungsglieder<br />

Übertragungsfunktion<br />

Sprungantwort<br />

Proportional-<br />

Element<br />

(Verstärker)<br />

F(p) = K<br />

Integral-Element<br />

F(p) = 1 p<br />

Differential-<br />

Element<br />

F(p) = p<br />

PT1-Element<br />

(Verzögerung,<br />

Tiefpass 1. Ord.) F(p) =<br />

1<br />

1+pT<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 146

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Beispiel: Ermittlung des Prozessmodells einer<br />

fremderregten Gleichstrommaschine (1)<br />

U q<br />

– Ersatzschaltbild<br />

U Klemmenspannung<br />

I R A<br />

U q<br />

I Ankerstrom<br />

U<br />

L A<br />

Induzierte Motorspannung<br />

L A Anker-Induktivität<br />

R A Anker-Widerstand<br />

Drehzahl<br />

M Moment<br />

J ges Gesamtträgheitsmoment<br />

M W Widerstandsmoment<br />

– Gleichungen:<br />

U = L A * dI/dt + R A * I + U q<br />

U q = c * <br />

M = c * I<br />

M - M W = J ges * d/dt<br />

(Maschenregel)<br />

(Motorgleichung)<br />

(Motorgleichung)<br />

(Drehimpuls)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 147

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Beispiel: Ermittlung des Prozessmodells einer<br />

fremderregten Gleichstrommaschine (2)<br />

– Resultierender Signalflussplan<br />

<br />

Verwendung normierter Größen (Kleinbuchstaben)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 148

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Prozessführung von Fließprozessen<br />

Prozessführung:<br />

Gezielte Beeinflussung<br />

des<br />

technischen<br />

Prozesses<br />

Ebene der Produktionsführung<br />

(Produktionsleitebene)<br />

Ebene der Führung<br />

einer technischen<br />

Anlage<br />

(Prozessleitebene)<br />

Ebene der Führung<br />

einzelner Prozessgrößen<br />

(Prozess-Signal-Ebene)<br />

Produktionsmaßnahme:<br />

Um ein Produkt mit bestimmten Eigenschaften<br />

zu erhalten, soll in einem Reaktor<br />

ein bestimmter pH-Wert eingestellt werden<br />

Ventilstellung<br />

Pumpen-<br />

Steuerung<br />

Dosierer<br />

Anweisung:<br />

Pumpe<br />

Ein/Aus<br />

Ausführungsauftrag:<br />

Soll-pH-Wert einstellen<br />

Ventil-Stellungsregler<br />

Ventil-<br />

Steuerung<br />

pH-Wert im Reaktor<br />

(Ist-Wert)<br />

Anweisung: Soll-Wert<br />

des Säurezuflusses<br />

einstellen<br />

Ist-Wert des<br />

Säurezuflusses<br />

M<br />

Säurezufluss<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 149

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Klassifizierung von Prozessgrößen<br />

– Eingangsgrößen<br />

(Stellgrößen), um auf das<br />

Prozessgeschehen gezielt<br />

einzuwirken<br />

– Ausgangsgrößen<br />

(Ergebnisgrößen), die den<br />

Ablauf des technischen<br />

Prozesses <strong>und</strong> dessen<br />

Ergebnisse (Produkte)<br />

kennzeichnen<br />

– Störgrößen, die den Ablauf<br />

des technischen Prozesses<br />

<strong>und</strong> die Prozessergebnisse<br />

in unerwünschter Weise<br />

beeinflussen können<br />

a) Darstellung einzelner Eingangs-, Ausgangs- <strong>und</strong><br />

Störgrößen<br />

Störgrößen<br />

Eingangsgrößen<br />

b) Vereinfachte Darstellung mit Doppelpfeilen zur<br />

symbolischen Darstellung von Bündeln einzelner<br />

Prozessgrößen<br />

Technischer<br />

Prozess<br />

Technischer<br />

Prozess<br />

Störgrößen<br />

Ausgangsgrößen<br />

Eingangsgrößen<br />

Ausgangsgrößen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 150

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Strategien zur Prozessführung von Fließprozessen<br />

– Steuerungsstrategie (Feed-forward-Strategie)<br />

– Regelungsstrategie (Feed-back-Strategie)<br />

– Mischformen <strong>und</strong> Kombinationen möglich<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 151

nicht erfassbare<br />

Störgrößen<br />

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Steuerungsstrategie<br />

erfassbare<br />

Störgrößen<br />

Stellsignale<br />

Aktoren<br />

Technischer<br />

Prozess<br />

(Fließprozess)<br />

Steuereinrichtung<br />

Prozesseingangsgrößen<br />

Führungssignale<br />

Prozessausgangsgrößen<br />

offene Wirkungskette<br />

– Zusammenhänge zwischen Eingangs- <strong>und</strong> Ausgangsgrößen müssen<br />

exakt bekannt sein<br />

– Nicht-messbare Störgrößen wirken sich auf Ausgangsgrößen aus<br />

– Analog zu synchroner Programmierung bzw. staatliche Planwirtschaft<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 152

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Regelungsstrategie<br />

Störgrößen<br />

Stellsignale<br />

Aktoren<br />

Technischer<br />

Prozess<br />

(Fließprozess)<br />

Regeleinrichtung<br />

Prozesseingangsgrößen<br />

Führungssignale<br />

Prozessausgangsgrößen<br />

Geschlossener Wirkungskreis<br />

Sensorsignale<br />

Sensoren<br />

Regelgrößen<br />

– Keine exakte Kenntnis der Zusammenhänge zwischen Eingangs- <strong>und</strong><br />

Ausgangsgrößen erforderlich<br />

– Beliebige Störgrößen können ausgeregelt werden<br />

– Rückkopplungseffekte, Stabilitätsprobleme<br />

– Analog zu asynchroner Programmierung bzw. Marktwirtschaft<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 153

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Der PID-Regler<br />

Sollgröße w<br />

(Führungsgröße)<br />

Istgröße x<br />

(Regelgröße)<br />

K P<br />

K P<br />

T n *P<br />

K p *T V *p<br />

Proportional-Anteil<br />

Integral-Anteil<br />

Stellgröße y<br />

Differential-Anteil<br />

– Industriestandard<br />

– Merkmale<br />

<br />

<br />

<br />

Proportional-Anteil: Schnelles Eingreifen (Ausregeln)<br />

Integral-Anteil: Gute statische Regelgüte (keine bleibende Regelabweichung)<br />

Differential-Anteil: Schnelleres Eingreifen durch antizipierte Abweichung<br />

– Häufig: Verzicht auf D-Anteil da anfällig <strong>für</strong> hochfrequente Störungen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 154

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Analyse von Regelkreisen<br />

Regler<br />

z1<br />

w +<br />

y –<br />

–<br />

G(p)<br />

+<br />

Regelstrecke<br />

H(p)<br />

+<br />

z2<br />

–<br />

x<br />

w<br />

y<br />

z<br />

x<br />

Führungsgröße<br />

Stellgröße<br />

Störgröße<br />

Regelgröße<br />

– Führungsübertragungsfunktion (z1=z2=0)<br />

F G<br />

( p)<br />

x G(<br />

p)*<br />

H(<br />

p)<br />

<br />

w 1<br />

G(<br />

p)*<br />

H(<br />

p)<br />

– Störübertragungsfunktion (w=0, z2=0 bzw. z1=0)<br />

F ( Z 1<br />

F ( Z 2<br />

p)<br />

<br />

p)<br />

<br />

x H(<br />

p)<br />

<br />

z1<br />

1<br />

G(<br />

p)*<br />

H(<br />

p)<br />

x 1<br />

<br />

z2<br />

1<br />

G(<br />

p)*<br />

H(<br />

p)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 155

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Dimensionierung von Regelkreisen<br />

– Zielsetzung: Dimensionierung der Reglerparameter so dass ...<br />

<br />

<br />

<br />

die Führungsgröße möglichst schnell eingestellt wird,<br />

Störgrößen möglichst schnell ausgeregelt werden,<br />

keine Stabilitätsprobleme auftreten.<br />

– Ansatz<br />

<br />

<br />

Entscheidend <strong>für</strong> das Führungsverhalten sind die Polstellen der Führungsübertragungsfunktion<br />

(Polstellen müssen negativen Realteil aufweisen)<br />

Polstellen können entweder auf Basis eines Gütekriteriums ermittelt werden<br />

oder aus Tabellen von Standard-Übertragungsfunktionen entnommen werden<br />

Video: Automatisiertes Hovercraft<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 156

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Kaskadierende Reglerstrukturen<br />

– Konzept: Verwendung unterlagerter Regelschleifen<br />

Kaskadenstruktur<br />

w2<br />

+<br />

–<br />

G2(p)<br />

w1 +<br />

–<br />

G1(p)<br />

H1(p)<br />

x1<br />

H2(p)<br />

x2<br />

Unterlagerte Schleife<br />

Überlagerte Schleife<br />

– Vorteil: Einfachere Behandlung von Strecken höherer Ordnung<br />

<br />

Falls unterlagerte Schleife deutlich schneller arbeitet als überlagerte Schleife<br />

kann <strong>für</strong> letztere x1 = w1 angenommen werden, wodurch sich der Regelkreis<br />

deutlich vereinfacht.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 157

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Abtastregelungen (digitale Regelungen)<br />

w(t)<br />

A<br />

D<br />

w(kT)<br />

Digitaler<br />

Regler<br />

y(kT)<br />

D<br />

A<br />

y(t)<br />

Regelstrecke<br />

x(kT)<br />

D<br />

A<br />

Meßwertumfomer<br />

x(t)<br />

– Signale müssen gemäß Abtasttheorem mit<br />

Abtast 2* Grenz abgetastet werden<br />

(Abtastfrequenz Abtast , maximale<br />

reproduzierbare Signalfrequenz Grenz )<br />

– Quasi-kontinuierlicher Reglerentwurf falls<br />

Abtastung deutlich schneller als<br />

Prozessdynamik. Ansonsten explizite<br />

Diskretisierung erforderlich.<br />

T<br />

x(t)<br />

t<br />

x(kT)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 158

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Weiterführende Konzepte<br />

– Zustandsregelungen<br />

– Zustandsbeobachter<br />

– Prädiktive Regelungen<br />

– Adaptive Regelungen<br />

Modell des<br />

technischen<br />

Prozesses<br />

Stellsignale<br />

Regeleinrichtung<br />

Führungssignale<br />

Prozessausgangsgrößen<br />

Technischer<br />

Prozess<br />

(Fließprozess)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 159

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Frage 1 zu Kapitel 2.4<br />

Zur Beschreibung der Spannung durch einen nicht-linearen Widerstand in<br />

Abhängigkeit vom Strom wird ein Polynom mit einem linearen <strong>und</strong> einem<br />

quadratischen Glied angesetzt.<br />

Handelt es sich hierbei um ein analytisches oder ein empirisches Modell?<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 160

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

AT II<br />

Frage 2 zu Kapitel 2.4<br />

Ein Aufzug soll unabhängig von der Anzahl mitfahrender Personen immer die<br />

gleiche Geschwindigkeit aufweisen. Dazu bieten sich zwei Verfahren an:<br />

a) Ansteuerung des Aufzugmotors entsprechend der durch<br />

Gewichtsmessung ermittelten Anzahl mitfahrender Personen.<br />

b) Ansteuerung des Aufzugmotors entsprechend der Abweichung der<br />

gemessenen Aufzugs-Geschwindigkeit von der gewünschten<br />

Geschwindigkeit.<br />

In beiden Fällen sollen kontinuierliche Ansteuerungsgrößen verwendet<br />

werden (z.B. Klemmenspannung am Motor) <strong>und</strong> keine binären Signale.<br />

Handelt es sich bei den vorgestellten Verfahren um Steuerungs- oder<br />

Regelungsstrategien?<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 161

AT II<br />

§ 2 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

2.3 Prozessüberwachung<br />

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

2.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 162

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Was sind Folge- <strong>und</strong> Stückprozesse?<br />

– Folge-Prozesse<br />

<br />

<br />

Teilvorgänge laufen schrittweise nacheinander ab<br />

Z.B. Fertigungsprozesse, Zigarettenautomat<br />

– Stück(gut)-Prozesse<br />

<br />

<br />

Umformung, Transport, Speicherung von Objekten<br />

Z.B. Verkehrsprozesse<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 163

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Modellierung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

Getrennte Modellierung von technischem Prozess <strong>und</strong> Prozessführung bzw.<br />

Steuerung (wie bei Fließprozessen) nur schwer möglich!<br />

– Verwendung von Zustandsmodellen<br />

<br />

<br />

Diskrete Systemzustände<br />

Ereignisse als Zustandsübergänge<br />

– Bei Stückprozessen: Zuordnung von diskreten Zuständen <strong>und</strong> Ereignissen<br />

auf zeitliches <strong>und</strong> örtliches Verhalten der Objekte<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 164

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Zuordnung des zeitlichen <strong>und</strong> örtlichen Verhaltens eines<br />

Stückprozesses auf diskrete Zustände <strong>und</strong> Ereignisse<br />

Diskrete Zustände<br />

Aufzug wird abgebremst<br />

Aufzug fährt<br />

Aufzug steht, Türe wird entriegelt<br />

Aufzug steht, Türe wird verriegelt<br />

Aufzug steht, Türe in Bewegung<br />

Aufzug steht, Türe offen<br />

Position des Fahrkorbs [m]<br />

t<br />

3<br />

2<br />

1<br />

0<br />

t<br />

Diskrete Ereignisse<br />

(bzw. erfüllte Bedingungen)<br />

Befehl<br />

„Türe zu“<br />

Türe geschlossen<br />

Fahr-<br />

Befehl<br />

Bremskontakt<br />

aktiviert<br />

Haltekontakt<br />

aktiviert<br />

Befehl<br />

„Türe auf“<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 165

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen mittels<br />

diskreter Steuerungen<br />

– Unterscheidung bzgl. Verfahren<br />

<br />

<br />

Verknüpfungssteuerungen (Freifolgesteuerungen)<br />

Eingangssignale werden direkt zu Ausgangssignalen verknüpft<br />

Ablaufsteuerungen (Zwangsfolgesteuerungen)<br />

Unterteilung in zeitlich nacheinander auszuführende Schritte<br />

– Unterscheidung bzgl. der Realisierungsform<br />

<br />

<br />

Verbindungsprogrammierte Steuerungen<br />

Speicherprogrammierte Steuerungen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 166

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Verknüpfungssteuerungen<br />

– Zustandslose Verknüpfung von Eingangssignalen zu Ausgangssignalen<br />

‣ Technischer Prozess definiert Zustand Freifolgesteuerung<br />

– Beschreibung mit Logikverknüpfungen<br />

‣ Beispiel: Funktionsbausteine nach DIN 40900<br />

& 1 =1 1<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 167

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Beispiel einer Verknüpfungssteuerung:<br />

Steuerung eines Transportbandes<br />

Transportband<br />

• Band läuft wenn<br />

Silo 1 nicht leer<br />

<strong>und</strong> Silo 2 nicht<br />

voll<br />

• Band läuft wenn<br />

Taster <strong>für</strong><br />

Wartungsarbeiten<br />

gedrückt<br />

• Warnlampe<br />

leuchtet wenn<br />

Silo 2 voll<br />

Silo 1<br />

E1 (Füllstandssensor)<br />

A1 (Bandmotor)<br />

Silo 2<br />

E3 (Taster <strong>für</strong><br />

Wartungsarbeiten)<br />

E2 (Füllstandssensor)<br />

A2 (Warnlampe)<br />

Verknüpfungssteuerung<br />

E1<br />

E2<br />

E3<br />

&<br />

1<br />

A1<br />

A1<br />

A2<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 168

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Ablaufsteuerungen<br />

– Erzwingung einer spezifischen Abfolge durch internen Zustand<br />

‣ Unterteilung in zeitlich nacheinander auszuführende Schritte<br />

‣ Weiterschaltbedingung (Transition) muss jeweils erfüllt sein<br />

Zwangsfolgesteuerung<br />

– Beschreibung mit zustands-/ereignisorientierten Modellierungskonzepten<br />

‣ Endliche Automaten<br />

‣ Zustandsgraphen<br />

‣ Zustandstabellen<br />

‣ Schrittketten<br />

‣ Petri-Netze<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 169

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Endliche Automaten<br />

– Wichtiges Zustands-/ereignisorientiertes Modellierungskonzept<br />

– Gegenstand der Automatentheorie<br />

Beschreibung eines endlichen Automaten<br />

X: endliche Zustandsmenge<br />

• Innere Parameter<br />

• Speicherzustände<br />

u(n)<br />

x(n)<br />

y(n)<br />

U: endliche Eingangsmenge<br />

• Eingaben<br />

• Eingabezeichen<br />

• Eingabeaktionen<br />

Y: endliche Ausgangsmenge<br />

• Ausgaben<br />

• Ausgabezeichen<br />

• Ausgabeaktionen<br />

Zustandsübergangsfunktion: y(n) = d [u(n),x(n)]<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 170

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Endliche Automaten<br />

Automatentypen<br />

- Moore-Automat<br />

Ausgabewert nur vom aktuellem Zustand abhängig<br />

Zustandsübergangsfunktion: y(n) = d [x(n)]<br />

- Mealy-Automat<br />

Ausgabewert vom aktuellem Zustand <strong>und</strong> der Eingabemenge abhängig<br />

Zustandsübergangsfunktion: y(n) = d [u(n),x(n)]<br />

- Kombinatorischer Automat (speicherfreier Automat)<br />

Ausgabewert nur von der Eingabemenge abhängig<br />

Zustandsübergangsfunktion: y(n) = d [u(n)]<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 171

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Beispiel eines Zustandsgraphs zur Darstellung eines<br />

endlichen Automaten (Live-Mitschrieb)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 172

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Beispiel einer Zustandstabelle<br />

Aktueller Zustand Ereignis Aktion Folgezustand<br />

Aufzug steht Startknopf gedrückt Motor einschalten Aufzug fährt<br />

Aufzug fährt<br />

Bremspunkt erreicht<br />

Motorleistung<br />

reduzieren<br />

Aufzug bremst<br />

Aufzug bremst Haltepunkt erreicht Motor ausschalten Aufzug steht<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 173

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Beispiel einer Schrittkette<br />

Rührkessel leer<br />

Bodenventil zu<br />

Startknopf ein<br />

&<br />

S1<br />

Startzustand<br />

T1<br />

S2<br />

Lösungsmittel<br />

dosieren<br />

Temperatur ok<br />

T2<br />

T3<br />

Temperatur<br />

zu niedrig<br />

S3<br />

Heizen<br />

T4<br />

Temperatur<br />

erreicht<br />

S4<br />

Rühren<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 174

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Modellbildung mit Petri-Netzen<br />

– Verallgemeinerte Form der Zustandsmodelle<br />

– Erstmalig in der Dissertation von Carl Petri im Jahre 1961 vorgestellt<br />

– Speziell zur Darstellung paralleler Abläufe geeignet<br />

Notation <strong>für</strong> Stellen/Transitionen-Netze<br />

falls<br />

nicht<br />

notiert<br />

Stelle S1<br />

"Motor steht"<br />

mit Marke<br />

Transition T1<br />

"Motor laufen lassen"<br />

1 1<br />

(1) (1)<br />

1 1<br />

Transition T2<br />

"Motor abstellen"<br />

1 falls<br />

nicht<br />

notiert<br />

Stelle S2<br />

"Motor läuft"<br />

ohne Marke<br />

– Stellen<br />

Passive Elemente<br />

Nehmen Marken auf<br />

entsprechend Kapazität<br />

– Transitionen<br />

Aktive Elemente<br />

Verursachen Markenfluss durch<br />

Schaltvorgänge<br />

– Gerichtete Kanten (Pfeile)<br />

Verbinden Stellen mit<br />

Transitionen <strong>und</strong> umgekehrt<br />

Kantengewichtung beeinflusst<br />

Markenfluss<br />

"Reines Petri-Netz" falls<br />

Vorgänger Nachfolger einer<br />

Transition/Stelle<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 175

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Schaltregeln von Petri-Netzen<br />

Eingangsstellen<br />

Ausgangsstellen<br />

Eingangsstellen<br />

Ausgangsstellen<br />

S e1<br />

S e2<br />

S e3<br />

S a1<br />

S a2<br />

Netzzustand vor dem Schalten<br />

S e1<br />

S e2<br />

S e3<br />

S a1<br />

S a2<br />

– Schalten (feuern) einer Transition<br />

<br />

<br />

Allen Eingangsstellen werden Marken<br />

entzogen entsprechend dem Gewicht<br />

der verbindenden Kanten<br />

Allen Ausgangsstellen werden Marken<br />

hinzugefügt entsprechend dem<br />

Gewicht der verbindenden Kanten<br />

– Schaltbedingung: Es muss eine<br />

gültige Folgemarkierung entstehen<br />

<br />

<br />

Die Eingangsstellen müssen mit<br />

ausreichend Marken belegt sein<br />

Die Ausgangsstellen müssen<br />

ausreichend freie Kapazitäten haben<br />

Netzzustand nach dem Schalten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 176

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Elementare Netzkonstruktionen<br />

Beispiel<br />

Elementare Verknüpfungen<br />

Sequenz<br />

T1<br />

T2<br />

Alternative<br />

T1<br />

T3<br />

T2<br />

T4<br />

Verzweigung<br />

Zusammenführung<br />

Nebenläufigkeit<br />

T1<br />

T3<br />

T2<br />

Aufspaltung<br />

Synchronisation<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 177

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Darstellung von Nebenläufigkeiten<br />

Modell Asynchrone Nebenläufigkeiten Synchronisierte Nebenläufigkeiten<br />

Getrennte<br />

Zustandsgraphen<br />

1 2 3<br />

4 5 6<br />

1-4<br />

1-5<br />

1-6<br />

1-4<br />

1-5<br />

1-6<br />

Globaler<br />

Zustandsgraph<br />

2-4<br />

2-5<br />

2-6<br />

2-4<br />

2-5<br />

2-6<br />

3-4<br />

3-5<br />

3-6<br />

3-4<br />

3-5<br />

3-6<br />

Petri-Netz<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 178

T1 Λ T3<br />

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Der Markierungsgraph<br />

Petri-Netz<br />

Markierungsgraph<br />

Ausgangs-Markierung<br />

S1<br />

S2<br />

T1<br />

T 1 T3<br />

T 3<br />

T2<br />

T 2<br />

S3<br />

S4<br />

Folge-<br />

Markierung<br />

T1<br />

0 1 1 0<br />

T3<br />

1 0 1 0<br />

T2<br />

0 1 0 1<br />

T3<br />

1 0 0 1<br />

T1<br />

Notation:<br />

S1 S2 S3 S4<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 179

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Eigenschaften von Petri-Netzen<br />

– Verklemmung (Deadlock)<br />

<br />

<br />

Totale Verklemmung: Es existiert eine Markierung, von welcher aus keine<br />

Transition mehr schalten kann.<br />

Partielle Verklemmung: Es existiert eine Markierung, von welcher aus nur noch<br />

ein Teil aller Transitionen aktivierbar ist.<br />

– Lebendigkeit<br />

<br />

<br />

Lebendige Transition: Transition, die von jeder Markierung aus aktivierbar ist.<br />

Lebendiges Netz: Netz mit ausschließlich lebendigen Transitionen.<br />

– Reversibilität<br />

<br />

Die Anfangsmarkierung eines Netzes ist von jeder Folgemarkierung aus<br />

reproduzierbar.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 180

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Beispiele <strong>für</strong> Verklemmung <strong>und</strong> Lebendigkeit<br />

Beispiel 1<br />

Beispiel 2<br />

Beispiel 3<br />

T 1<br />

T 1<br />

T 1<br />

T 4<br />

T 3<br />

T 2<br />

T 3<br />

T 2<br />

T 3<br />

T 2<br />

Lebendiges <strong>und</strong><br />

reversibles Netz<br />

Nicht lebendiges Netz mit<br />

totaler Verklemmung<br />

Nicht lebendiges Netz mit<br />

partieller Verklemmung<br />

Video: Modellierung von Steuerungen mit Zustandsmodellen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 181

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Steuerungstechnisch interpretierte Petri-Netze (SIPN)<br />

– Problemspezifische Interpretation der Netzelemente<br />

<br />

<br />

Stellen: Modellierung von Systemzuständen<br />

Transitionen: Modellierung von Veränderungen <strong>und</strong> auslösenden Ereignissen<br />

– Verknüpfung der Netzelemente mit Ein- <strong>und</strong> Ausgangsgrößen<br />

<br />

<br />

Transitionen werden boolesche Funktionen der Eingangsgrößen zugeordnet<br />

Stellen werden Berechnungsvorschriften <strong>für</strong> die Umrechnung der Eingangsgrößen<br />

in ihre Ausgangsgrößen zugeordnet.<br />

– Schaltregeln im SIPN<br />

<br />

<br />

Eine aufgr<strong>und</strong> der Netzmarkierung schaltfähige Transition kann erst schalten,<br />

wenn auch ihre zugeordnete boolesche Funktion (Schaltausdruck) wahr ist.<br />

Eine so schaltfähige Transition muss schalten.<br />

Nur <strong>für</strong> markierte Stellen werden die Ausgabefunktionen ausgewertet. Die<br />

Gesamtausgabe eines SIPN bei einer Markierung M entsteht durch<br />

Überlagerung aller Ausgaben der bei M markierten Stellen.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 182

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Beispiel eines SIPN: Flexibles Fertigungssystem (1)<br />

Bearbeitung von<br />

Werkstücken A<br />

mit beiden<br />

Handhabungsgeräten<br />

B<br />

A<br />

II<br />

B<br />

A<br />

I<br />

B<br />

Bearbeitung von<br />

Werkstücken B<br />

nur mit Handhabungsgerät<br />

II<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 183

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Beispiel eines SIPN: Flexibles Fertigungssystem (2)<br />

Ein- <strong>und</strong> Ausgangsgrößen,<br />

Systemzustände<br />

Petri-Netz<br />

Eingangsgrößen:<br />

x1: Neues Werkstück A erkannt<br />

x2: Bearbeitung Werkstück A fertig<br />

x3: Neues Werkstück B erkannt<br />

x4: Bearbeitung Werkstück B fertig<br />

y1=0<br />

S5<br />

S6<br />

y2=0<br />

Ausgangsgrößen:<br />

y1: Handhabungsgerät I an<br />

y2: Handhabungsgerät II an<br />

Systemzustände (Stellen)<br />

S1: Keine Bearbeitung Werkstück A<br />

S2: Werkstück A in Bearbeitung<br />

S3: Keine Bearbeitung Werkstück B<br />

S4: Werkstück B in Bearbeitung<br />

S5: Handhabungsgerät I frei<br />

S6: Handhabungsgerät II frei<br />

S1<br />

T1<br />

S2<br />

T2<br />

x1<br />

y1=1<br />

y2=1<br />

x2<br />

T3<br />

S4<br />

T4<br />

x3<br />

y2=1<br />

x4<br />

S3<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 184

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Graphentheoretische Analyse<br />

Bedeutung: Gewünschtes dynamisches Verhalten kann im allgemeinen<br />

konstruktiv nicht erzwungen werden<br />

Modellierung als<br />

Petri-Netz<br />

Konstruktion des<br />

Überdeckungsgraphen<br />

Beschränktheit<br />

nein<br />

ja<br />

Konstruktion eines<br />

Markierungsgraphen<br />

Kondensation des<br />

Markierungsgraphen<br />

totale Verklemmung<br />

Erreichbarkeit<br />

totale Verklemmung<br />

partielle Verklemmung<br />

Lebendigkeit<br />

Reversibilität<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 185

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Auswertung eines Markierungsgraphen<br />

Ableitung folgender Eigenschaften aus den Markierungsgraphen<br />

– Totale Verklemmung<br />

<br />

Falls ein Markierungsvektor keine auslaufende Kante besitzt<br />

– Erreichbarkeit (<strong>und</strong> Weg zu) einer Markierung<br />

<br />

Schaltsequenz zu Markierungsvektor kann direkt abgelesen werden<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 186

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Beispiel <strong>für</strong> die Auswertung eines Markierungsgraphen<br />

0 1 0 1 0 0<br />

Start<br />

T 4 T<br />

T 2<br />

T 6<br />

T 5 1<br />

0 0 0 1 1 0<br />

1 1 0 0 0 0<br />

0 0 0 1 0 1<br />

T T 5 1<br />

T 6<br />

T 3<br />

T T 4 T T 8<br />

2<br />

T 1 7<br />

T 1<br />

1 0 0 1 0 0<br />

1 0 0 0 1 0<br />

1 0 0 0 0 1<br />

T 2<br />

T 2<br />

0 0 1 1 0 0<br />

T 8<br />

T 7<br />

1 0 1 0 0 0<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 187

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Kondensation eines Markierungsgraphen<br />

– Ermittlung "stark zusammenhängender" Teilgraphen (Kondensation)<br />

<br />

<br />

Sämtliche Markierungen innerhalb eines stark zusammenhängenden<br />

Teilgraphen (starke Komponente) sind gegenseitig erreichbar<br />

Quelle/Senke-Beziehung zwischen starken Komponenten eines<br />

Markierungsgraphen<br />

– Ableitung folgender Eigenschaften aus der Kondensation<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Reversibilität<br />

Der gesamte Markierungsgraph ist stark zusammenhängend.<br />

Totale Verklemmung<br />

Es existiert eine Senke, die nur aus einem Knoten besteht.<br />

Partielle Verklemmung<br />

Es existiert eine Senke, die nicht sämtliche Transitionen enthält.<br />

Lebendigkeit<br />

Jede Senke der Kondensation enthält sämtliche Transitionen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 188

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Beispiel <strong>für</strong> die Kondensation eines Markierungsgraphen<br />

0 1 0 1 0 0<br />

T 4 T<br />

T 2<br />

T 6<br />

T 5 1<br />

0 0 0 1 1 0<br />

1 1 0 0 0 0<br />

0 0 0 1 0 1<br />

T T 5 1<br />

T 6<br />

T 3<br />

T T 4 T T 8<br />

2<br />

T 1 7<br />

T 1<br />

1 0 0 1 0 0<br />

1 0 0 0 1 0<br />

1 0 0 0 0 1<br />

T 2<br />

T 2<br />

0 0 1 1 0 0<br />

Starke<br />

Komponente K3<br />

(Senke)<br />

Starke Komponente K1<br />

(Quelle)<br />

T 8<br />

T 7<br />

1 0 1 0 0 0<br />

Starke Komponente K2<br />

(Senke)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 189

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Mathematische Darstellung eines Petri-Netzes<br />

(1)<br />

1<br />

(1)<br />

T 1<br />

1<br />

S 1<br />

1 1<br />

S 2<br />

P = (S, T, F, K, W, M 0 ) mit<br />

Menge der Stellen S = {S 1 , S 2 }<br />

Menge der Transitionen T = {T 1 , T 2 }<br />

Menge der Kanten F = {(S 1 ,T 1 ), (T 1 ,S 2 ), (S 2 ,T 2 ), (T 2 ,S 1 )}<br />

Kapazität der Stellen K(S 1 ) = K(S 2 ) = 1<br />

Kantengewichtung W(S 1 ,T 1 ) = W(T 1 ,S 2 ) = ... = 1<br />

Ausgangsmarkierung M 0 (S 1 ) = 1, M 0 (S 2 ) = 0<br />

T 2<br />

Inzidenzmatrix<br />

w ij : Verknüpfung der Stelle i mit der Transition j<br />

w ij = 0 keine Verbindung<br />

w ij = W(T j ,S i ) Transition Stelle<br />

w ij = -W(S i ,T j ) Stelle Transition<br />

Erreichbare Markierungen<br />

M = M 0 + W • S<br />

M 0<br />

S<br />

Ausgangs-Markierung<br />

Sequenzvektor<br />

z.B. 1 T 1 schaltet einmal<br />

S =<br />

2 T 2 schaltet zweimal<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 190

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Algebraische Analyse (T-Invarianten)<br />

– Erreichbare Markierungen: M = M 0 + W • S<br />

M 0<br />

W<br />

S<br />

Ausgangs-Markierung<br />

Inzidenzmatrix<br />

Sequenzvektor<br />

– T-Invariante: Schaltsequenz zur Reproduzierung der Ausgangsmarkierung<br />

W • S = 0 (lineares Gleichungssystem)<br />

– Ableitung folgender Eigenschaften<br />

Bedingung <strong>für</strong> Reversibilität<br />

Es existiert eine nicht negative T-Invariante (Lösung des LGS).<br />

Bedingung <strong>für</strong> Lebendigkeit<br />

Es existiert eine positive T-Invariante (Lösung des LGS).<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 191

Stellen<br />

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Beispiel einer algebraischen Analyse – Nachweis von<br />

Reversibilität <strong>und</strong> Lebendigkeit (Live-Mitschrieb)<br />

T 1<br />

1<br />

S 1<br />

2<br />

1<br />

2<br />

S 2<br />

P = (S, T, F, K, W, M 0 ) mit<br />

Transitionen<br />

W =<br />

w 11 w 12 =<br />

w 21 w 22<br />

T 2<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 192

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Hierarchische Petri-Netze<br />

T 1<br />

T 1<br />

S 1 S 2<br />

S 1 S 2<br />

T 2 T 3 T 4<br />

T 5<br />

S 3 S 4 S 5<br />

T 6 T 7 T 8<br />

T 2 T S<br />

3<br />

5<br />

S 3 S 4<br />

T 4<br />

Unternetz (D)<br />

A<br />

S 6<br />

B<br />

C<br />

D<br />

Hauptnetz (A)<br />

Hierarchie<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 193

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Zeitbehaftete Petri-Netze<br />

– Abbildung zeitbehafteter Vorgänge auf zeitlose Ereignisse<br />

Start des<br />

Vorgangs<br />

Vorgang<br />

läuft<br />

Ende des<br />

Vorgangs<br />

S V<br />

"zeitbehaftete Transition" T*<br />

z. B. mit Verzögerung 4s<br />

S N<br />

Relevant <strong>für</strong> Schaltregel<br />

ist Endzeitpunkt<br />

Marke "verschwindet"<br />

während Vorgang<br />

Relevant <strong>für</strong> Schaltregel<br />

ist Startzeitpunkt<br />

Relevant <strong>für</strong> Schaltregel<br />

ist Endzeitpunkt<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 194

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Erweiterte Petri-Netze<br />

– Individualisierung der Marken zur kompakteren Netz-Darstellung<br />

A<br />

B<br />

S 1<br />

S 3<br />

T 1<br />

T 3<br />

I II<br />

S 2 S 5 S 6<br />

S 4<br />

S 1<br />

T 1<br />

S 2<br />

A<br />

B<br />

A<br />

B<br />

A<br />

x<br />

x<br />

S 7<br />

x є {A,B}<br />

f(x): {A,B} → {I,II}<br />

mit f(A) = I+II<br />

f(B) = II<br />

I<br />

II<br />

f(x)<br />

T 2<br />

T 4<br />

T 2<br />

x<br />

f(x)<br />

Stellen-Transitionen-Netz<br />

Prädikat-Transitionen-Netz<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 195

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Frage 1 zu Kapitel 2.5<br />

Welchen Aussagen stimmen Sie zu?<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Der Anwendungsbereich diskreter Steuerungen sind Folge- <strong>und</strong><br />

Stückgutprozesse.<br />

Man unterscheidet zwischen speicherprogrammierbaren<br />

Steuerungen <strong>und</strong> Ablaufsteuerungen.<br />

Ablaufsteuerungen werden auch als Freifolgesteuerungen bezeichnet.<br />

Verknüpfungssteuerungen haben Zustandsgrößen.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 196

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

AT II<br />

Frage 2 zu Kapitel 2.5<br />

Für eine Montagelinie mit 2 Robotern wurde eine Lösungskonzeption mit Hilfe<br />

des nachfolgend abgebildeten Petri-Netzes entworfen. Untersuchen Sie, ob<br />

eine Verklemmung auftreten kann.<br />

T1<br />

S1<br />

T2<br />

S2<br />

Antwort (Live-Mitschrieb)<br />

S3<br />

S4<br />

T3<br />

S5<br />

T4<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 197

AT II<br />

§ 2 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

2.2 Prozesssignal-Aufbereitung<br />

2.3 Prozessüberwachung<br />

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

2.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 198

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Ebenen der Prozessautomatisierung<br />

Prozessführungsebenen<br />

Unternehmensführung<br />

(corporate management)<br />

Betriebsführung<br />

(plant management<br />

Anlagenführung<br />

(process<br />

management)<br />

Maschinenführung<br />

(process control)<br />

Feld, Sensoren <strong>und</strong><br />

Aktoren (field, sensors<br />

and actuators)<br />

Leitebenen<br />

Unternehmensleitebene<br />

Produktionsleitebene<br />

Prozessleitebene<br />

Feldebene<br />

<strong>Automatisierungs</strong>aufgaben<br />

langfristige Produktionsplanung,<br />

Kostenanalysen, Auftragsvergabe<br />

<strong>und</strong> -abwicklung, Statistiken<br />

Betriebsablaufplanung, Kapazitätsplanung,<br />

Terminüberwachung,<br />

Auswertung der Prozessergebnisse,<br />

Qualitätssicherung<br />

Prozessüberwachung,<br />

Fehlerdiagnose,<br />

Prozessoptimierung,<br />

An- <strong>und</strong> Abfahren,<br />

Störungsbehandlung,<br />

Prozesssicherung<br />

Steuern, Verriegeln, Regeln,<br />

Notbedienen, Grenzwertüberwachung,<br />

Schutz, Anzeigen,<br />

Registrieren<br />

Messen der analogen <strong>und</strong> binären<br />

Prozessgrößen, Stelleingriffe über<br />

Motoren, Ventile usw., Automatik/<br />

Hand-Umschaltung, Anzeigen vor Ort<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 199

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Informationsorientierte Betrachtungsweise<br />

Ziel:<br />

Optimierung des technisch-organisatorisch-wirtschaftlichen<br />

Gesamtsystems<br />

Alle in Zusammenhang mit der Automatisierung stehenden Bereiche <strong>und</strong><br />

Auswirkungen werden berücksichtigt .<br />

– Führung eines Datenmodells, das Informationen über alle Bereiche <strong>und</strong><br />

deren Beziehungen enthält (Informationshaushalt)<br />

– Prozesskommunikation beinhaltet alle Einrichtungen, Verfahren <strong>und</strong><br />

Hilfsmittel <strong>für</strong> den Informationsaustausch zwischen Menschen <strong>und</strong><br />

technischen Prozess<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 200

<strong>Automatisierungs</strong>system "im Großen"<br />

<strong>Automatisierungs</strong>system "im Kleinen"<br />

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Betrachung des <strong>Automatisierungs</strong>systems "im Großen”<br />

Logistik<br />

Stellsignal<br />

Automati-<br />

sierungs-<br />

Geräte<br />

Messsignale<br />

Technische<br />

Anlagen<br />

Informationen zur<br />

Prozessbeeinflussung<br />

<strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

Informationen über<br />

Prozessgrößen<br />

Technischer<br />

Prozess<br />

Instandhaltung<br />

Mensch-<br />

Prozess-<br />

Kommunikation<br />

Einfluss, Zusammenhang<br />

Informationen bzw. Signale<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 201

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Datenmodell zur Beschreibung der Informationen<br />

Logistikmodell<br />

Instandhaltungsmodell<br />

<strong>Automatisierungs</strong>gerätemodell<br />

Anlagenmodell<br />

<strong>Automatisierungs</strong>verfahrenmodell<br />

Prozessmodell<br />

Kommunikationsmodell<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 202

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Anlagenführung<br />

– Aufgaben der Anlagenführung<br />

<br />

<br />

<br />

Anfahrvorgänge <strong>und</strong> Abfahrvorgänge<br />

Übergänge zwischen verschiedenen Betriebsarten<br />

Prozessüberwachung, Fehlerdiagnose, Prozesssicherung<br />

Erfolgt hauptsächlich durch Menschen (Operateure)<br />

– Zielsetzung: Unterstützung der Operateure<br />

<br />

<br />

Verbesserung der Mensch-Prozess-Kommunikation<br />

Bereitstellung von Beratungssystemen<br />

Video: Smartphone-basierte Diagnose<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 203

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Mensch-Prozess-Kommunikation mit Hilfe eines<br />

Prozessleitsystems<br />

Informations-Darbietung<br />

Prozessleitsystem<br />

Informations-Aufbereitung <strong>und</strong> -Konzentration<br />

zur Beschreibung des Prozesszustandes<br />

Signal-Auswertung<br />

Sensoren Aktoren Sensoren Sensoren<br />

Material- <strong>und</strong><br />

Energiefluss<br />

Bedienpersonal<br />

Informationsfluss<br />

Produkt<br />

Technischer Prozess<br />

Produkt<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 204

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Beispiel: Leitwarte eines Kraftwerks mit Mensch-Prozess-<br />

Kommunikation mittels Großbildprojektion <strong>und</strong> Mausbedienung<br />

Übersichtsdarstellung<br />

des Kraftwerkprozesses<br />

Prozessübersicht mit<br />

Metaphern<br />

Diagnose <strong>und</strong><br />

Alarmmeldungen<br />

Prozesszustandsdiagramme<br />

Videokonferenz<br />

Auswirkungen<br />

Videobild aus<br />

techn. Prozess<br />

Schematisches Fliessbild<br />

mit Wasser-Dampf-<br />

Kreislauf einschliesslich<br />

Kessel, Turbine <strong>und</strong><br />

Speicherwassersystem<br />

Grafik oder<br />

Videobild<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 205

Technischer Prozess<br />

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Einsatz eines Beratungssystems als Bestandteil eines<br />

Prozessleitsystems<br />

Prozessleitsystem<br />

Bedienpersonal<br />

Beratungssystem<br />

Mensch-<br />

Prozess-<br />

Kommunikation<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 206

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Informationsgewinnung aus heterogenen Datenquellen<br />

Einzelschritte „Suche“<br />

?<br />

<br />

Anwender<br />

Experte<br />

<br />

<br />

Zwischenergebnis<br />

Suchanfrage<br />

<br />

1 Suchanfrage<br />

2 Identifikation erforderlicher<br />

Datenquellen<br />

3 Planung Suchschritte<br />

Zwischenergebnis<br />

Zwischenergebnis<br />

Zwischenergebnis<br />

4 Ausführung Suchschritte<br />

Gesuchte<br />

Information<br />

<br />

<br />

Suchergebnis<br />

Zwischenergebnis<br />

5 Aggregation<br />

Zwischenergebnisse<br />

6 Suchergebnis<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 207

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Probleme bei der Informationsgewinnung<br />

Verarbeitung von Suchanfragen<br />

• Aufwändige manuelle Vorgehensweise<br />

• Identifikation relevanter Datenquellen<br />

• Umgang mit komplexen Suchanfragen<br />

• Spezifisches Anwenderwissen erforderlich<br />

Labordaten<br />

Semantik der Daten<br />

• Meist keine formale Beschreibung mit großem Aufwand durch<br />

anwenderspezifisches Erfahrungswissen interpretierbar<br />

• Gleiche Begriffe mit unterschiedlicher, kontextabhängiger Bedeutung<br />

• Gefahr von Fehlinterpretationen, Inkonsistenzen, Red<strong>und</strong>anzen<br />

• Gemeinsame Datenbasis <strong>und</strong> Softwarewerkzeuge, die darauf<br />

arbeiten, wegen Komplexität <strong>und</strong> Abhängigkeiten schwierig<br />

Einsatz von Ontologien<br />

Prozessdaten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 208

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Ontologie als semantische Technologie<br />

• Vokabular um Wissen zu repräsentieren <strong>und</strong> wiederverwendbar zu machen<br />

• Beschreibung eines abgrenzbaren<br />

Wissensbereichs (z.B. Produktion, Labor)<br />

• Repräsentation von Begriffen, Beziehungen<br />

<strong>und</strong> Sinnzusammenhängen zwischen Begriffen<br />

Beispiel:<br />

Ontologie „Logistik“<br />

Begriffe<br />

Ontologie „Produktion“<br />

Beziehungen<br />

Logistik:Produktionsauftrag<br />

Produziert Logistik:Charge<br />

Ist zugeordnet<br />

Beinhaltet<br />

Beinhaltet<br />

Logistik:Produktionsbetrieb<br />

Beinhaltet<br />

Logistik:Chargenbezeichnung<br />

Logistik:Chargennummer<br />

Logistik:Lagerort<br />

Ontologie „Labor“<br />

Produktion:Gr<strong>und</strong>rezept<br />

Beinhaltet<br />

Logistik:Stückzahl<br />

Labor:Prüfung<br />

Produktion:Produktionsauftrag Ist Vorlage <strong>für</strong><br />

Gehört zu Produktion:Steuerrezept<br />

Beinhaltet<br />

Beinhaltet<br />

Produktion:Status<br />

Produktion:Startzeit<br />

Labor:Produktionsbetrieb<br />

Produziert<br />

Labor:Charge<br />

Ist zugeordnet<br />

Besteht aus<br />

Labor:Probe<br />

Beinhaltet<br />

Beinhaltet<br />

hat<br />

Labor:Limit<br />

Labor:Maxwert<br />

Labor:Minwert<br />

Beinhaltet<br />

Beinhaltet<br />

Produktion:Endezeit<br />

Produktion:Charge<br />

„Logistik”<br />

Ist zugeordnet<br />

Labor:Probeergebnis<br />

Beinhaltet<br />

Ist zugeordnet<br />

Labor:Sollwert<br />

Labor:Produktionsauftrag<br />

„Produktion”<br />

Ontologie<br />

„Teeproduktion“<br />

„Labor“<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 209

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Produktions- bzw. Betriebsführung<br />

– Produktionsarten<br />

<br />

<br />

Produktion aufgr<strong>und</strong> von Einzelaufträgen (K<strong>und</strong>enorientierte Produktion)<br />

Produktion aufgr<strong>und</strong> einer Mengenplanung <strong>für</strong> Serien- oder Standardprodukte<br />

(absatzorientierte Produktion)<br />

– Aufgaben der Produktions- bzw. Betriebsführung<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Auftrags- <strong>und</strong> Produktionsplanung<br />

Produktionsdurchführung mit Hilfe der verfügbaren Ressourcen unter<br />

Beachtung wirtschaftlicher Randbedingungen<br />

Überwachung der Güte des Prozessergebnisses<br />

Produktionslogistik <strong>und</strong> Lagerhaltung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 210

Produktions- bzw. Betriebsleitebene<br />

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Aufgaben der Produktions- bzw. Betriebsleitebene<br />

Prozessleitebene<br />

Unternehmensleitebene<br />

Bedarfsplanung,<br />

Materialdisposition<br />

Produktion<br />

abrechnen<br />

Bedarfsplanung,<br />

<strong>und</strong> Bestandsdisposition<br />

K<strong>und</strong>enauftrag<br />

bzw. Vertriebsanforderung<br />

Produktionsplanung<br />

Produktionsaufträge<br />

freigeben<br />

Produktionsauftrag<br />

abschließen<br />

Lagerhaltung<br />

Produktionssteuerung<br />

<strong>und</strong><br />

Qualitätskontrolle<br />

Aufgaben der Produktionslogistik<br />

Aufgaben der Produktionsführung<br />

Rechnungswesen<br />

Lagersteuerung<br />

Anlagenführung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 211

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Asset-Management – Anlagegüterverwaltung<br />

– Nachverfolgung von Hardware <strong>und</strong> Software mit folgenden Fragestellungen<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Welche Anlagegüter sind vorhanden?<br />

Wo befinden sich die Anlagegüter?<br />

Was kosten die Anlagegüter?<br />

Wie lange bleiben die Anlagegüter in Benutzung?<br />

Asset (in der <strong>Automatisierungs</strong>technik)<br />

<strong>Automatisierungs</strong>system <strong>und</strong> alle Komponenten des <strong>Automatisierungs</strong>systems<br />

(Hardware <strong>und</strong> Software)<br />

– Bedeutung <strong>und</strong> Nutzen des Asset-Managements in der <strong>Automatisierungs</strong>technik<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Identifizierung <strong>und</strong> Beurteilung aller Assets eines <strong>Automatisierungs</strong>systems<br />

Vorbeugung von Ausfällen durch Überwachung von <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

Planbare Instandhaltung von <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

Verwendung innovativer Instandhaltungsstrategien<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 212

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Anlagennahes Asset-Management<br />

– Soll der Wert einer Anlage gesteigert oder erhalten werden, spricht man von<br />

anlagennahem Asset-Management<br />

– Instandhaltungskreislauf des anlagennahen Asset-Managements<br />

Instandhaltungs-<br />

Maßnahme<br />

Überwachung<br />

aller Assets<br />

Instandhaltungs-<br />

Anforderung<br />

Diagnose<br />

– Primäre Ziele des anlagennahen Asset-Managements<br />

<br />

<br />

höhere Verfügbarkeit<br />

geringere Standzeiten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 213

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 2.6<br />

Welche der folgenden Aussagen treffen auf die<br />

„Mensch-Prozess-Kommunikation“ zu?<br />

<br />

<br />

<br />

Sie beschreibt das Zusammenwirken von Menschen (z. B. Operateure)<br />

mit einem technischen Prozess.<br />

Sie hat das Ziel der erfolgreichen Prozessüberwachung <strong>und</strong><br />

Prozessführung.<br />

Sie überwacht, dass möglichst viel Wissen vom Menschen an den<br />

Prozess abgegeben wird.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 214

AT II<br />

§ 2 <strong>Automatisierungs</strong>verfahren<br />

2.1 <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben <strong>und</strong> deren Lösung<br />

2.2 Prozesssignal-Erfassung <strong>und</strong> -Aufbereitung<br />

2.3 Prozessüberwachung<br />

2.4 Prozessführung von Fließprozessen<br />

2.5 Prozessführung von Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

2.6 Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung<br />

2.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 215

2.7 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Zusammenfassung Kapitel 2 (1)<br />

– Gr<strong>und</strong>aufgaben der Prozessautomatisierung sind die Prozessführung <strong>und</strong><br />

die Prozessüberwachung.<br />

– <strong>Automatisierungs</strong>aufgaben werden mit Hilfe von Prozessmodellen gelöst.<br />

– Ziel der Prozess-Signalerfassung ist die zeitgerechte Bereitstellung<br />

rechnerverarbeitbarer Prozessgrößen.<br />

– Aufgabe der Prozessüberwachung ist die Fehlerermittlung, Aufgabe der<br />

Diagnose die Fehlerlokalisation.<br />

– Gr<strong>und</strong>verfahren der Prozessüberwachung sind die signalorientierte <strong>und</strong> die<br />

informationsorientierte Überwachung.<br />

– Bei der informationsorientierten Überwachung wird das Zusammenwirken<br />

mehrerer Prozesssignale mit Hilfe von Prozessmodellen betrachtet <strong>und</strong><br />

ausgewertet.<br />

– Gr<strong>und</strong>verfahren zur Führung von Fließprozessen sind Steuerung (offene<br />

Wirkungskette) <strong>und</strong> Regelung (geschlossene Wirkungskette).<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 216

2.7 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Zusammenfassung Kapitel 2 (2)<br />

– Fließprozesse werden mit Differential- oder Differenzengleichungen beschrieben.<br />

Diese lassen sich graphisch durch Signalflusspläne darstellen.<br />

– Eine gängige Reglerstruktur sind kaskadierende PID-Regler.<br />

– Diskrete Steuerungen dienen zur Führung von Folge- <strong>und</strong><br />

Stückprozessen. Man unterscheidet Verknüpfungs- <strong>und</strong><br />

Ablaufsteuerungen.<br />

– Verknüpfungssteuerungen werden mit Booleschen Funktionen realisiert,<br />

Ablaufsteuerungen durch endliche Automaten oder Petri-Netzen<br />

beschrieben.<br />

– Petri-Netze eignen sich speziell zur Darstellung paralleler Abläufe <strong>und</strong><br />

erlauben deren Analyse z.B. auf Verklemmungen.<br />

– Zentrales Element der graphentheoretischen Analyse von Petri-Netzen ist<br />

der Markierungsgraph, der algebraischen Analyse die Inzidenzmatrix.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 217

2.7 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Zusammenfassung Kapitel 2 (3)<br />

– Bei der Anlagen- <strong>und</strong> Produktionsführung steht die Prozessleitung <strong>und</strong><br />

damit die Mensch-Prozess-Kommunikation im Mittelpunkt.<br />

– Zur Unterstützung des Bedienpersonals bei der operativen Prozessführung<br />

können Beratungssysteme eingesetzt werden.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 218

2.7 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Vorbereitungsfrage zu Kapitel 2<br />

<strong>Automatisierungs</strong>verfahren (WS 06/07)<br />

a) Nennen <strong>und</strong> erläutern Sie die Gr<strong>und</strong>aufgaben der Prozessautomatisierung.<br />

b) Welches Verfahren bietet sich an, um eine nachträgliche Störungsaufklärung zu<br />

ermöglichen? Erläutern Sie dieses Verfahren anhand eines Beispiels.<br />

c) Für die Prozessführung wird eine Schaltung gemäß der Abbildung eingesetzt. Die<br />

Realisierung erfolgt mit integrierten Schaltkreisen (Logikbausteinen). Ordnen Sie die<br />

beschriebene Schaltung bezüglich Verfahren <strong>und</strong> Realisierungsform ein.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 219

AT II<br />

§ 3 Methoden <strong>für</strong> die Entwicklung von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

Lernziele<br />

– Allgemeine Lösungsmethoden verstehen <strong>und</strong> anwenden können<br />

– Wissen, was Rohrleitung- <strong>und</strong> Instrumentierungsfließbilder sind<br />

– Systeme mithilfe der SA/RT-Methode analysieren können<br />

– Verstehen, auf welchen Konzepten die<br />

objektorientierte Modellierung basiert<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 220

AT II<br />

§ 3 Methoden <strong>für</strong> die Entwicklung von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

3.2 Modellierungskonzepte<br />

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

3.5 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 221

Ergebnis unbefriedigend<br />

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

AT II<br />

Allgemeiner Lösungsprozess<br />

Aufgabe<br />

Konfrontation<br />

mit (unbekannter) Aufgabenstellung<br />

Information<br />

zur Klärung der Aufgabenstellung<br />

Definition<br />

der wesentlichen zu lösenden Probleme<br />

Kreation<br />

von Lösungsmöglichkeiten<br />

Beurteilung<br />

der Lösungsmöglichkeiten<br />

Lösung<br />

Entscheidung<br />

<strong>für</strong> beste Lösung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 222

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

AT II<br />

Problemstrukturierung<br />

Komplexe Aufgabenstellungen sind i.d.R. leichter lösbar, wenn das Gesamtproblem in<br />

Einzelproblemen aufgegliedert wird, zu denen jeweils eine Einzellösung gesucht wird.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 223

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

AT II<br />

Literaturrecherche: Normen als Informationsquelle<br />

– Normen fördern die Rationalisierung <strong>und</strong> Qualitätssicherung <strong>und</strong> dienen<br />

der Sicherheit <strong>und</strong> Qualitätsverbesserung<br />

– Wichtige nationale <strong>und</strong> internationale Normungsorganisationen<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

DIN: Deutsches <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Normung e.V. (http://www.din.de)<br />

CEN: Europäisches Komitee <strong>für</strong> Normung (http://www.cenorm.org)<br />

CENELEC: Europäisches Komitee <strong>für</strong> elektrotechnische Normung<br />

(http://www.cenelec.org)<br />

ISO: International Organization for Standardization (http://www.iso.org)<br />

IEC: International Electrotechnical Commission (http://www.iec.ch)<br />

VDE: Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik<br />

(http://www.vde.de)<br />

IEEE: <strong>Institut</strong>e of Electrical and Electronic Engineers (USA)<br />

(http://www.ieee.org)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 224

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

AT II<br />

Systematische Bewertung<br />

– Zur Beurteilung von alternativen Lösungsansätzen<br />

– Ablauf<br />

1. Bewertungskriterien bestimmen<br />

2. Bewertungskriterien gewichten<br />

3. Bewertungsskala / Metrik festlegen<br />

4. Maßstäbe / Erwartungshorizont festlegen<br />

5. Lösungsvarianten bewerten<br />

6. Entscheiden<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 225

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

AT II<br />

Aufbau einer Bewertungstabelle<br />

Bewertungskriterien<br />

Kriterium A<br />

Kriterium B<br />

Kriterium C<br />

Kriterium D<br />

Ergebnis =<br />

Gewichtung<br />

2 x<br />

1 x<br />

1 x<br />

3 x<br />

Σ (Kriterium * Gewichtung)<br />

Σ Gewichtung<br />

Lösungsvarianten<br />

I II III<br />

6<br />

4<br />

4<br />

0<br />

6<br />

5<br />

8<br />

2<br />

5<br />

4<br />

3<br />

7<br />

2,9 4,4 5,4<br />

Skala: 0 .. 10<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 226

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

AT II<br />

Beispiel <strong>für</strong> eine Bewertungstabelle<br />

– Bewertung dreier verschiedener Funktechnologien zur Verwendung in<br />

einem handlichen Bediengerät (Armbanduhr) zur Ansteuerung von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>geräten<br />

WLAN Bluetooth ZigBee<br />

Reichweite<br />

1x<br />

6<br />

3<br />

1<br />

Chipgröße<br />

3x<br />

3<br />

10<br />

10<br />

Energieverbrauch<br />

6x<br />

0<br />

3<br />

10<br />

1,5 5,1 9,1<br />

Da es sich um ein sehr kleines<br />

Gerät handelt sind Chipgröße<br />

<strong>und</strong> besonders der<br />

Energieverbrauch relevant<br />

Für diese Anwendung ist<br />

ZigBee am Besten geeignet<br />

Video: Automatisierte Verkehrszeichen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 227

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 3.1<br />

Welchen Aussagen stimmen Sie zu?<br />

<br />

<br />

<br />

Wichtige Aktivitäten im Rahmen eines Lösungsprozesses sind die<br />

Findung (Kreation) von Lösungsmöglichkeiten (Alternativen) <strong>und</strong> die<br />

Beurteilung dieser Lösungsmöglichkeiten bzgl. der Problemstellung.<br />

Kriterien bestimmen ist ein wichtiger Aspekt einer systematischen<br />

Bewertung.<br />

Der Erwartungshorizont kann bei einer systematischen Vorgehensweise<br />

auch nach der Bewertung der Lösungsvarianten angepasst werden<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 228

AT II<br />

§ 3 Methoden <strong>für</strong> die Entwicklung von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

3.2 Modellierungskonzepte<br />

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

3.5 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 229

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

Modellbildung<br />

– Abstraktionsvorgang zur vereinfachenden Darstellungen von Realitäten<br />

unter Anwendung eines Modellierungskonzepts<br />

– Ziel: Auf das Wesentliche reduzierte Beschreibung der Realität ohne<br />

deren Verfälschung<br />

<br />

<br />

<br />

Realitätsgetreu<br />

Übersichtlich<br />

Leicht verständlich<br />

Modellierungskonzept<br />

Konzept über die im Modell zu betrachtenden Eigenschaften <strong>und</strong> über die<br />

Art der Verknüpfung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 230

Lehr- <strong>und</strong> Lernbarkeit<br />

Genauigkeit der Modellierung<br />

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

Güte eines Modellierungskonzepts (Live-Mitschrieb)<br />

Zahl der Modellelemente<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 231

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

Übersicht gängiger Modellierungskonzepte in der<br />

<strong>Automatisierungs</strong>technik (1)<br />

Modellierungkonzept<br />

Differentialgleichungen<br />

Signalflusspläne<br />

Eignung<br />

Dynamische Systeme<br />

Dynamische Systeme<br />

Verständlichkeit<br />

Nach Schulung <strong>und</strong><br />

ingenieurmäßiger Vorbildung<br />

verstehbar<br />

Nach Schulung bei<br />

Ingenieurausbildung einsetzbar<br />

Zustandsmodelle, endliche<br />

Automaten<br />

Petri-Netze<br />

Fuzzy-Logik (Fuzzy Control)<br />

Sequentielle Vorgänge mit<br />

diskreten Zuständen<br />

Sequentielle Vorgänge, die<br />

zeitlich parallel ablaufen<br />

können<br />

Empirisches Wissen<br />

Nach Einarbeitung bei<br />

technischer Vorbildung leicht<br />

verstehbar<br />

Nach Schulung <strong>und</strong> Einübung<br />

bei technischer Vorbildung<br />

verstehbar<br />

Nach Einarbeitung <strong>und</strong><br />

Schulung gut verstehbar<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 232

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

Übersicht gängiger Modellierungskonzepte in der<br />

<strong>Automatisierungs</strong>technik (2)<br />

Modellierungkonzept<br />

Structured Analysis (SA)<br />

SA/RT-Methode<br />

Eignung<br />

Informationsorientierte<br />

(datenflussorientierte)<br />

Konzepte<br />

Echtzeitkonzepte<br />

Verständlichkeit<br />

Nach Einarbeitung <strong>und</strong><br />

Schulung gut verstehbar<br />

Nach Schulung bei<br />

Ingenieurausbildung einsetzbar<br />

Entity-Relationship-Konzept<br />

(ER)<br />

Informationsstrukturen<br />

Nach Einarbeitung gut<br />

verstehbar<br />

Entscheidungtabellen<br />

Objekt- bzw. Klassenorientierte<br />

Methoden<br />

Zusammenhänge zwischen<br />

Bedingungen <strong>und</strong> zu<br />

ergreifenden Maßnahmen<br />

Objektorientierte Konzepte<br />

Nach kurzer Erläuterung von<br />

jedermann leicht verstehbar<br />

Nach Schulung <strong>und</strong> bei<br />

Ingenieur- bzw. Informatikvorbildung<br />

einsetzbar<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 233

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

Wichtige Modellierungsprinzipien<br />

– Abstraktion<br />

<br />

<br />

Verallgemeinerung durch Vernachlässigung von Eigenschaften<br />

(Was vernachlässigbar ist, hängt von der Problemstellung ab)<br />

Vorteil: Reduzierung von Komplexität<br />

– Zerlegung / Strukturierung<br />

<br />

<br />

<br />

Bestandteile eines Ganzen abgrenzen <strong>und</strong> getrennt betrachten<br />

(Es entsteht zwangsläufig eine Strukturierung)<br />

Vorteil: Komplexität der Bestandteile geringer als die des Ganzen<br />

Sinnvolle Zerlegung / Strukturierung basiert auf Gliederungsprinzipien<br />

Modularisierung <strong>und</strong> Hierarchisierung<br />

– Hierarchisierung<br />

<br />

Anordnung von Elementen nach einer Rangfolge<br />

(Elemente gleicher Rangordnung bilden eine Hierarchiestufe)<br />

– Modularisierung<br />

<br />

Schaffung von funktional abgeschlossenen Bausteinen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 234

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

Beispiel <strong>für</strong> ein hierarchisch strukturiertes Modell<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 235

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

Beschreibung von <strong>Automatisierungs</strong>anlagen mit<br />

Rohrleitungs- <strong>und</strong> Instrumentierungsfließbilder<br />

– Technologieschema zur Modellierung verfahrenstechnischer Prozesse<br />

<strong>und</strong> der zugehörigen <strong>Automatisierungs</strong>-Funktionseinheiten<br />

Stellantrieb<br />

FIC<br />

F001<br />

PLT-Stelle (MSR-Stelle)<br />

PLT-Stelle (MSR-Stelle)<br />

‣ Name im unteren Symbolteil<br />

‣ Kennzeichnung der <strong>Automatisierungs</strong>funktion<br />

im oberen Symbolteil durch<br />

Buchstabenkombination nach DIN 19227<br />

(F=Durchfluss, I=Anzeige, C=Regelung)<br />

Stellort<br />

Ventil<br />

Messort<br />

Behälter<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 236

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

Elemente des Rohrleitungs- <strong>und</strong> Instrumentierungsfließbilds<br />

– Ausgewählte Fließbildsymbole (nach DIN 28004)<br />

Behälter Kolonne Zerkleinerer Filter Sieb<br />

A<br />

Pumpe Ventil Rührwerk Heizung,<br />

Kühlung<br />

Antrieb<br />

– PLT-Stellensymbole mit Kennzeichnung des Bedienorts<br />

örtlich (Feld) Leitstand im Feld Zentrale Prozessleitwarte<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 237

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

Beispiel eines Rohrleitungs- <strong>und</strong> Instrumentierungsfließbilds<br />

Heizdampf<br />

5 bar<br />

Zusatzstoff<br />

700 kg/h<br />

Zusatzstoff<br />

350 kg/h<br />

F1<br />

V301<br />

V302<br />

V304<br />

V206<br />

Einsatzstoff<br />

800 kg/h<br />

FRC<br />

1.01<br />

M<br />

3 h<br />

M1<br />

Z1<br />

X<br />

V303<br />

TRC<br />

1.02<br />

Lösungsmittel<br />

1000 kg/h<br />

V101<br />

V201<br />

V102<br />

V202<br />

V204<br />

V103<br />

V203<br />

FRC<br />

2.01<br />

TRC<br />

V105<br />

B1<br />

1.02 LRC<br />

M2<br />

M<br />

3 h<br />

B2<br />

LRC<br />

W1<br />

V111<br />

V305<br />

V112<br />

A1<br />

LRC<br />

1.04<br />

K1<br />

W3<br />

M<br />

3 h<br />

M<br />

3 h<br />

W2<br />

1.03<br />

M<br />

3 h<br />

1.04<br />

M<br />

3 h<br />

V306<br />

LRC+<br />

1.04<br />

V301<br />

V302<br />

V116<br />

P1<br />

P2<br />

V303<br />

V106<br />

V107<br />

V106<br />

V110<br />

FRC = Flow Registration Control<br />

LRC = Level Registration Control<br />

TRC = Temperature Registration Control<br />

Kondensat<br />

Endprodukt<br />

1450 kg/h<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 238

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

CAEX (Computer Aided Engineering Exchange)<br />

– Lebenszyklus begleitender Austausch von Planungsdaten in<br />

verfahrenstechnischen Anlagen (z.B. R&I-Fließbild)<br />

– Semi-formale Beschreibungssprache / XML-Metamodell zur Beschreibung<br />

des Aufbaus <strong>und</strong> der Struktur von Anlagendaten<br />

– Entwickelt <strong>für</strong> einen<br />

durchgängigen<br />

Datenaustausch<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 239

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

Produkte, Prozesse <strong>und</strong> Ressourcen in CAEX (1)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 240

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

Produkte, Prozesse <strong>und</strong> Ressourcen in CAEX (2)<br />

– Zusätzliche semantische Bedeutung<br />

– Beispiel:<br />

Ich bin eine Ressource – ein Transportband. Ich kann<br />

Prozesse ausführen <strong>und</strong> Produkte produzieren <strong>und</strong><br />

bin Teil einer Anlagentopologie<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 241

3.2 Modellierungskonzepte<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 3.2<br />

Welchen Aussagen stimmen Sie zu?<br />

<br />

<br />

<br />

Mit steigender Anzahl an Modellelementen steigt die Güte eines<br />

Modellierungskonzepts.<br />

Strukturierung setzt eine Hierarchisierung voraus.<br />

Mit R+I-Fließbilder lassen sich ausschließlich Regelkreise beschreiben.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 242

AT II<br />

§ 3 Methoden <strong>für</strong> die Entwicklung von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

3.2 Modellierungskonzepte<br />

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

3.5 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 243

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Strukturierte Analyse Real-Time (SA/RT)<br />

– Methode zur Analyse von Informationssystemen unter Berücksichtigung<br />

von Zeitanforderungen<br />

Basis: Strukturierte Analyse (Tom DeMarco, 1978)<br />

Erweiterung: Real-Time Analyse (Ward/Mellor, 1985; Hatley/Pirbhai 1987)<br />

– Basiskonzepte der Strukturierten Analyse<br />

<br />

<br />

<br />

Datenflussdiagramme<br />

Datenlexikon<br />

Mini-Spezifikationen<br />

– Erweiterungen durch die Real-Time Analyse<br />

<br />

<br />

Erweiterung der Datenflussdiagramme um eine Kontrollschicht mit<br />

Kontrollflüssen zu sog. Flussdiagrammen<br />

Integration von Zustandsautomaten <strong>und</strong> Entscheidungstabellen zur<br />

Spezifikation der Kontrollschicht<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 244

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Flussdiagramm (FD) - Prozessschicht<br />

Prozess (Funktion, System):<br />

‣ Datenfluss-Transformation<br />

‣ Name = Verb + Substantiv (Tätigkeit)<br />

‣ werden durchnummeriert (.1) bis (.n)<br />

Datenfluss:<br />

‣ Daten- / Materialfluss<br />

‣ Name = Substantiv (kein Name falls<br />

direkt mit Speicher verb<strong>und</strong>en)<br />

‣ können uni- <strong>und</strong> bidirektional sein<br />

Datenfluss 1 Datenfluss 3<br />

Datenfluss 4<br />

Datenfluss 2<br />

.1<br />

Prozess 1<br />

.2<br />

Prozess 2<br />

Datenfluss 5<br />

Speicher<br />

Speicher:<br />

‣ permanente Daten des Systems<br />

(Materiallager, Datei)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 245

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Flussdiagramm (FD) - Kontrollschicht<br />

A1<br />

A2<br />

A3<br />

.1<br />

Prozess 1<br />

.2<br />

Prozess 2<br />

C2<br />

C3<br />

C1<br />

PAT<br />

Kontrollspezifikation<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 246

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Kontrollspezifikationen (CSpec)<br />

– Kontrollspezifikationen aktivieren <strong>und</strong> deaktivieren Prozesse<br />

Darstellung als Prozessaktivierungstabelle<br />

(PAT)<br />

Eingabe Ausgabe Prozesse<br />

C1 C2 C3 .1 .2<br />

1 0<br />

1 1<br />

0<br />

1<br />

1 0<br />

2 1<br />

Darstellung als Entscheidungstabelle<br />

(DT)<br />

C1<br />

C2<br />

.1<br />

.2<br />

1<br />

1<br />

0 1<br />

C3 0 1<br />

1<br />

0<br />

2<br />

1<br />

Darstellung als<br />

Zustandsautomat (STD)<br />

A<br />

C1 = 1<br />

C2 = 0<br />

C3 = 0<br />

Aktiviere .1<br />

C1 = 1<br />

C2 = 1<br />

C3 = 1<br />

1) Aktiviere .2<br />

2) Aktiviere .1<br />

B<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 247

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Kontrollflüsse vs. Datenflüsse<br />

– Datenflüsse<br />

<br />

<br />

<br />

Werden in Prozessen verarbeitet<br />

Darstellung als durchgezogene Linie<br />

Kontinuierliche Signale oder diskrete Signale, welche verarbeitet werden<br />

– Kontrollflüsse<br />

<br />

<br />

<br />

Steuern die Verarbeitung<br />

Darstellung als gestrichelte Linie<br />

Immer diskrete Signale<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 248

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Flussdiagramm (FD) – Kontextdiagramm <strong>und</strong> Verfeinerung<br />

Kontextdiagramm<br />

Ebene 0<br />

Terminator 1<br />

Terminator 2<br />

A1<br />

A2<br />

A1<br />

A2<br />

.1<br />

Prozess 1<br />

0<br />

Prozess 0<br />

A3<br />

A4<br />

A5<br />

Terminator 3<br />

Terminator 4<br />

.2<br />

Prozess 2<br />

A5<br />

A4<br />

Terminator:<br />

‣ externe<br />

Datenquelle<br />

oder -senke<br />

‣ nur im<br />

Kontextdiagramm<br />

Ebene 1<br />

A1<br />

.1<br />

Prozess11<br />

A6<br />

.2<br />

Prozess 12<br />

A7<br />

A3<br />

.3<br />

Prozess 13<br />

A2<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 249

Station 1<br />

Station 2<br />

Station 3<br />

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Beispiel: Kamera steuern (1)<br />

Ziel: Steuerung einer Kamera zur visuellen Überwachung eines Fertigungsprozesses<br />

Bedienpersonal<br />

Kamera-<br />

Steuerung<br />

Leitrechner<br />

Leitwarte mit<br />

Monitor<br />

Videosignal<br />

Kamera<br />

Fertigungsprozess<br />

Systembeschreibung<br />

– Kamera wird mithilfe von Steuermotoren bewegt<br />

– Leitrechner übermittelt an Kamera-Steuerung: Soll-Lage, Soll-Geschwindigkeit der Fahrbewegung<br />

durch Halle, Taktvorgabe mit Informationen zur Geschwindigkeits- <strong>und</strong> Lage-Regelung<br />

– Kamera-Steuerung erhält von Sensoren regelmäßig Berichte über Ist-Lage <strong>und</strong><br />

Ist-Geschwindigkeit<br />

– Geschwindigkeit soll wesentlich häufiger kontrolliert werden als Lage<br />

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3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Beispiel: Kamera steuern (2)<br />

Kontextdiagramm<br />

Taktvorgabe<br />

Antrieb_Soll<br />

Steuermotoren<br />

Leitrechner<br />

Lage_Soll<br />

Kamera<br />

steuern<br />

0<br />

Lage_Ist<br />

Lage_Sensor<br />

Geschw_Soll<br />

Geschw_Ist<br />

Geschw_Sensor<br />

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3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Beispiel: Kamera steuern (3)<br />

Flussdiagramm<br />

Lage_Ist<br />

Lage<br />

erkennen<br />

.2<br />

Deltalage<br />

Lage_Soll<br />

Lage<br />

aktualisieren<br />

.1<br />

Lage_Soll<br />

Lage<br />

regeln<br />

.3<br />

Taktvorgabe<br />

Takt<br />

steuern<br />

.7<br />

L_neu<br />

Takt<br />

G_neu<br />

PAT<br />

Solllage<br />

Geschw_Soll<br />

Geschw<br />

vorsteuern<br />

.6<br />

Sollgeschw<br />

Geschw<br />

regeln<br />

.4<br />

Antrieb_Soll<br />

Geschw_Ist<br />

Geschw<br />

erkennen<br />

Deltageschw<br />

.5<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 252

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Beispiel: Kamera steuern (4)<br />

Kontrollspezifikation – Prozessaktivierungstabelle<br />

L_neu G_neu Takt Lage regeln (.3) Geschw regeln (.4)<br />

w<br />

f<br />

-<br />

w<br />

off<br />

off<br />

f f off<br />

- -<br />

L<br />

-<br />

-<br />

G<br />

Eingangssignale<br />

Prozesse<br />

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3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Requirements Dictionary (RD)<br />

– Definiert Strukturen (Aufbau, Inhalt) aller verwendeten Daten/Informationen<br />

– Erlaubt die Überprüfung auf Red<strong>und</strong>anz <strong>und</strong> Widerspruchsfreiheit<br />

– Regeln:<br />

<br />

<br />

<br />

Jeder Informationsflusspfeil <strong>und</strong> jeder Speicher trägt einen Namen.<br />

Jeder Informationsfluss- <strong>und</strong> Speichername ist im Requirements Dictionary definiert.<br />

(z.B. Anfragedaten = Personendaten + (Firmendaten))<br />

Die einzelnen RD-Einträge entsprechen der BNF.<br />

– BNF (Backus-Naur-Form)<br />

<br />

Notation:<br />

= ist äquivalent zu<br />

+ Sequenz (impliziert keine Ordnung)<br />

[ | ] Auswahl (entweder... oder)<br />

{ } Wiederholung; M{ }N von M bis N Mal<br />

( ) Option<br />

** Kommentar<br />

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3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Beispiel: Kamera steuern (5)<br />

Requirements Dictionary (Auszug)<br />

– Antrieb_Soll (data flow) = * Steuergröße <strong>für</strong> Motoren *<br />

– GESCHW (data flow) = * Geschwindigkeit *<br />

– Geschw_Ist (data flow) = GESCHW<br />

– Geschw_Soll (data flow) = GESCHW<br />

– Deltageschw (store) = GESCHW<br />

– ...<br />

– G_neu (control flow) = [ w | f ] * w=neuer Wert eintragen *<br />

– L_neu (control flow) = [ w | f ] * w=neuer Wert eintragen *<br />

– Takt (control flow) = [ L | G | off ] * L=Lage-Regelung, G=Geschw.-Reg. *<br />

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3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Modellierungsregeln – Flussdiagramme<br />

– Die Anzahl der Diagrammelemente sollte 7±2 nicht überschreiten.<br />

– Auf jedem Flussdiagramm werden die Prozesse von Eins fortlaufend<br />

durchnummeriert, wobei ein Punkt vor der Zahl steht (.1, .2, usw.). Jedes<br />

Flussdiagramm trägt die Nummer, die seine Stellung in der Hierarchie angibt<br />

(FD 4.3 bezeichnet die Verfeinerung des Prozesses 3 aus FD 4).<br />

– Prozesse <strong>und</strong> Informationsflüsse werden parallel verfeinert. Im Allgemeinen werden<br />

Datenflüsse tiefer verfeinert als Kontrollflüsse.<br />

– Jeder Prozess, welcher nicht durch ein weiteres Flussdiagramm verfeinert wird,<br />

muss durch eine Programm-Spezifikation beschrieben werden. Programm-<br />

Spezifikationen beschreiben implementierungsunabhängig, wie Eingangsdaten in<br />

Ausgangsdaten transformiert werden (PseudoCode, Entscheidungstabellen).<br />

– Speicher, Kontrollspezifikationen (Balken) <strong>und</strong> Terminatoren können nicht verfeinert<br />

werden.<br />

– Zwischen Speichern gibt es keine Datenflüsse.<br />

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3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Modellierungsregeln – Kontextdiagramm<br />

– Das Kontextdiagramm zeigt die Informationsflüsse, welche die Systemgrenzen<br />

passieren. Es ist die Zusammenfassung des Flussdiagramms 0.<br />

– Das Kontextdiagramm enthält nur einen Prozess, der die Nummer 0 erhält.<br />

– Das Kontextdiagramm enthält keine Speicher.<br />

– Das Kontextdiagramm enthält mindestens einen Terminator. Terminatoren stehen<br />

ausschließlich im Kontextdiagramm.<br />

– Jeder Terminator ist i. a. nur einmal vorhanden. Wird durch diese Regel das<br />

Kontextdiagramm unübersichtlich, dann kann ein Terminator auch mehrfach<br />

gezeichnet werden.<br />

– Zwischen Terminatoren gibt es keine Informationsflüsse.<br />

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3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Modellierungsregeln – Kontrollspezifikationen<br />

– In einem Flussdiagramm (FD) können mehrere Balken eingetragen werden. Sie<br />

repräsentieren jedoch eine einzige CSpec.<br />

– Prozesse werden nur durch CSpecs aktiviert <strong>und</strong> deaktiviert. Wird ein Prozess in<br />

keiner CSpec erwähnt, so ist er immer aktiv.<br />

– Läuft ein Kontrollfluss auf einen Prozess, so entspricht dies keiner Aktivierung,<br />

sondern einem Eingangssignal in dem hierarchisch unterlagerten Flussdiagramm.<br />

Modellierungsregeln – Balancing (Datenintegrität)<br />

– Sind alle Datenflüsse eines untergeordneten FDs im übergeordneten FD entweder<br />

unter dem gleichen Namen oder als Teilkomponenten enthalten <strong>und</strong> die<br />

Eigenschaften im Requirements Dictionary beschrieben, so heißt das Modell<br />

ausbalanciert, d.h. die Datenintegrität ist sichergestellt.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 258

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Methodik<br />

1. Abgrenzung des zu modellierenden Systems <strong>und</strong> Definition der<br />

Terminatoren (Kontextdiagramm).<br />

2. Definition von Datenflüssen <strong>und</strong> Prozessen (Datentransformationen),<br />

von Kontrollflüssen <strong>und</strong> Datenspeichern.<br />

3. Definition von Kontrollspezifikationen<br />

4. Verfeinerung von Prozessen in Verfeinerungsebenen.<br />

5. Beschreibung aller Daten im Requirements Dictionary. Beschreibung<br />

aller elementaren Prozesse mittels Programm-Spezifikationen.<br />

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3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Strukturierter Entwurf (Design) SD<br />

– Entwurf einer aus hierarchisch angeordneten, funktionalen Modulen<br />

bestehenden Softwarearchitektur<br />

– Darstellung mittels sog. Strukturdiagramme<br />

Parameter<br />

Ein<br />

B<br />

Aus<br />

A<br />

Ein/Aus<br />

C<br />

Modul<br />

(Prozedur, Funktion)<br />

Wiederholung<br />

Aufrufpfeil<br />

D<br />

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3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Ableitung eines strukturierten Entwurfsmodells (SD) aus<br />

einem strukturierten Analysemodells (SA)<br />

– Problematik<br />

<br />

<br />

SD-Modell besitzt "Steuerungszentrale"<br />

SA-Modell besitzt keine "Steuerungszentrale"<br />

– SA nach SD Methodik<br />

1. Transaktionsanalyse<br />

<br />

<br />

Aufbrechen des SA-Modells in handhabbare Einheiten<br />

Teilmenge von DFDs zu jeder identifizierten Transaktion<br />

2. Transformationsanalyse zu jeder identifizierten Transaktion<br />

a) Identifizierung der zentralen Transformation<br />

b) Festlegung (oder Hinzufügung) einer Steuerungszentrale<br />

c) Verfeinerung (bzw. Ergänzung) des Strukturdiagramms<br />

d) Überprüfung ob der Entwurf "funktioniert"<br />

3. Zusammenfassung aller Strukturdiagramme<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 261

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Verdeutlichung der SA nach SD Methodik<br />

SA-Modell<br />

a<br />

b c f<br />

B C F H<br />

g h<br />

e<br />

d i j<br />

E<br />

I J<br />

Zentrale<br />

Transaktion<br />

SD-Modell<br />

Gesamt-<br />

System<br />

Neue Steuerungszentrale<br />

Get<br />

c<br />

Get<br />

e<br />

Zentrale<br />

Transformation<br />

Put<br />

i<br />

Get<br />

b<br />

Read<br />

d<br />

F H I<br />

Write<br />

j<br />

Read<br />

a<br />

Parameter zwecks<br />

Übersichtlichkeit entfernt<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 262

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Frage 1 zu Kapitel 3.3<br />

Das nachfolgend abgebildete SA Kontextdiagramm beschreibt ein<br />

Anrufbeantwortersystem mit folgender Funktionalität:<br />

Sekretärin<br />

•spricht einen Ansagetext<br />

•hört eine Nachricht ab<br />

Anrufer<br />

•hört Ansagetext ab<br />

•spricht eine Nachricht<br />

Welche Fehler beinhaltet das abgebildete SA Kontextdiagramm?<br />

0<br />

Anrufbeantworter<br />

Ansagetext<br />

Eingabedaten<br />

Sekretärin<br />

Nachricht<br />

Nachricht<br />

Anrufer<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 263

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

AT II<br />

Frage 2 zu Kapitel 3.3<br />

Welchen Aussagen stimmen Sie zu?<br />

<br />

<br />

<br />

Der Übergang von der Strukturierten Analyse zum Strukturierten Entwurf<br />

kann direkt, d. h. ohne Umstrukturierung erfolgen.<br />

Zustandsgraphen <strong>und</strong> Prozessaktivierungstabellen können <strong>für</strong><br />

Kontrollspezifikationen verwendet werden.<br />

Ein Kontextdiagramm kann mehrere Prozesse enthalten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 264

Was ist ein <strong>Automatisierungs</strong>projekt?<br />

AT II<br />

§ 3 Methoden <strong>für</strong> die Entwicklung von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

3.2 Modellierungskonzepte<br />

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

3.5 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 265

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Leitgedanken der Objektorientierung (am Bsp. AT)<br />

– Konventioneller Ansatz<br />

<br />

<br />

<br />

Was soll das <strong>Automatisierungs</strong>system tun?<br />

Welche Funktionen führt der technische Prozess aus. Welche soll das<br />

<strong>Automatisierungs</strong>system ausführen?<br />

Wie sollen diese Funktionen <strong>und</strong> Informationen realisiert werden?<br />

– Objektorientierter Ansatz<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Welche realen/ gedachten Objekte gibt es im technischen Prozess?<br />

Welche Eigenschaften haben diese Objekte?<br />

Welche Operationen führen sie aus?<br />

Wie wirken diese Objekte zusammen?<br />

Lassen sich gleichartige Gruppen von Objekten bilden?<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 266

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Die Unified Modeling Language (UML)<br />

– Modellierungssprache zur Beschreibung von<br />

objektorientierter Analyse <strong>und</strong> Entwurf<br />

– (Überwiegend) grafische Notation<br />

– Abbildungen <strong>und</strong> Diagramme zur Darstellung der unterschiedlichen<br />

Modelle, die während eines Entwicklungsprozesses entstehen<br />

– Mittel zur Dokumentation <strong>und</strong> Kommunikation zwischen Entwicklern<br />

– Für Modellierung statischer <strong>und</strong> dynamischer Aspekte<br />

– Nicht fest mit einem bestimmten Entwicklungsprozess verknüpft<br />

– Standardisierung am 17. November 1997 durch die OMG<br />

– UML: Notation der Zukunft <strong>für</strong> die Objektorientierung<br />

UML hat schon weite Verbreitung gef<strong>und</strong>en<br />

UML deckt ein breites Spektrum von Anwendungsgebieten ab<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 267

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Objektorientierte Vorgehensweise<br />

Problem<br />

Anforderungsdefinition<br />

Anwendungsfall-Analyse<br />

Objektorientierte Analyse OOA<br />

Analyse<br />

Entwurf<br />

Objektorientiertes Design OOD<br />

Implementierung,<br />

Integration, Test<br />

Objektorientierte<br />

Programmierung OOP<br />

Betrieb<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 268

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Anwendungsfall-Analyse<br />

Ein Anwendungsfall (use case) besteht aus mehreren zusammenhängenden<br />

Aufgaben, die von einem Akteur durchgeführt werden, um ein Ziel zu<br />

erreichen bzw. ein gewünschtes Ergebnis zu erstellen.<br />

Putzroboter<br />

Fahren<br />

Bedieneinheit<br />

(Infrarot-<br />

Steuerung)<br />

Staubsaugen<br />

Drehen<br />

Ziel von Anwendungsfällen<br />

– Spezifikation der ergebnisorientierten Arbeitsabläufe bei Benutzung der zu<br />

realisierenden Software<br />

– Ermitteln, welche Aufgaben mit dem neuen Softwaresystem zu bewältigen<br />

sind, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 269

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Beschreibung von Anwendungsfällen<br />

– Ein Anwendungsfall wird semiformal oder informal (umgangssprachlich)<br />

beschrieben<br />

Use Case:<br />

Externe Akteure:<br />

Beschreibung:<br />

- Fahren<br />

- Benutzungsschnittstelle<br />

1. Benutzungsschnittstelle gibt den Befehl<br />

vorwärts fahren<br />

2. Beide Motoren drehen vorwärts<br />

Alternative 1:<br />

1. Benutzungsschnittstelle gibt den Befehl<br />

rückwärts fahren<br />

2. Beide Motoren drehen rückwärts<br />

Alternative 2:<br />

1. Roboter fährt gegen Hindernis<br />

2. Beide Motoren stoppen<br />

3. Rangiermanöver wird gestartet<br />

Video: Erstellung von Anwendungsfällen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 270

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Objektorientierte Analyse <strong>und</strong> Design<br />

– Objektorientierte Analyse<br />

<br />

<br />

<br />

Ausgangspunkt der OOA sind Objekte, die in der realen Welt existieren<br />

Darstellung der Objekte <strong>und</strong> ihrer Beziehungen untereinander<br />

OOA-Modell beschreibt Struktur <strong>und</strong> Semantik des Problems<br />

– Objektorientierter Entwurf<br />

<br />

<br />

<br />

OOD-Modell entsteht aus OOA-Modell durch Verfeinerung <strong>und</strong> Ergänzung<br />

OOD-Modell soll ein Abbild des späteren Programms sein<br />

Klassen können direkt in einer OO-Programmiersprache implementiert werden<br />

– Bestandteile eines OOA- <strong>und</strong> OOD-Modells<br />

<br />

<br />

Statisches Modell (Klassendiagramme etc.)<br />

Dynamisches Modell (Sequenzdiagramme etc.)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 271

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Beispiel eines Klassendiagramms<br />

Steuerung<br />

IR<br />

fahren (Fahrtrichtung)<br />

drehen (Drehrichtung)<br />

putzen()<br />

1<br />

hat<br />

1<br />

hat<br />

Roboter<br />

1<br />

1<br />

1<br />

hat<br />

hat<br />

1<br />

empfangenerBefehl<br />

senden()<br />

empfangen()<br />

5 3<br />

Sensor<br />

Aktor<br />

Taster<br />

Ultraschallsensor<br />

Motor<br />

Sauger<br />

betätigt<br />

rel. Position<br />

getStatus()<br />

getPosistion()<br />

vorwärts()<br />

rückwärts()<br />

stop()<br />

einschalten()<br />

ausschalten()<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 272

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Neuerungen der UML 2<br />

– Überarbeitung <strong>und</strong> Präzisierung des Metamodells<br />

– Überarbeitung <strong>und</strong> Einführung neuer Diagrammtypen<br />

Diagramme der UML<br />

Strukturdiagramme<br />

Verhaltensdiagramme<br />

Klassendiagramm<br />

Komponentendiagramm<br />

Objektdiagramm<br />

Aktivitätsdiagramm<br />

Use-Case-<br />

Diagramm<br />

Zustandsautomat<br />

Kompositionsstrukturdiagramm<br />

Verteilungsdiagramm<br />

Paketdiagramm<br />

Interaktionsdiagramme<br />

Neue oder wesentlich überarbeitete<br />

Diagrammtypen in der UML 2.0<br />

Sequenzdiagramm<br />

Interaktionsübersichtsdiagramm<br />

Kommunikations-<br />

Diagramm<br />

(Kollaborationsdiagramm)<br />

Zeitverlaufs-<br />

Diagramm<br />

(Timingdiagramm)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 273

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Neue Diagrammtypen – Kompositionsstrukturdiagramm<br />

– Darstellung der Struktur eines UML-Elements<br />

Struktur einer Klasse oder Komponente<br />

Auto<br />

Port<br />

Part<br />

Fahrwerk<br />

Achse<br />

Motor<br />

Connector<br />

Struktur einer Kollaboration<br />

Vertrag<br />

Auftraggeber<br />

Auftragnehmer<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 274

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Neue Diagrammtypen – Aktivitätsdiagramm<br />

– Modellierung von Abläufen<br />

(bspw. eines<br />

Anwendungsfalls)<br />

Fahrt vorwärts<br />

– Semantik an Petri-Netze<br />

angelehnt<br />

(Treppe)<br />

(Hindernis)<br />

Warnton<br />

Fahrt stoppen<br />

Fahrt stoppen<br />

Fahrt rückwärts<br />

Fahrt rückwärts<br />

Drehung (45°)<br />

Drehung (90°)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 275

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Neue Diagrammtypen – Interaktionsübersichtsdiagramm<br />

Ziel: Modularisierte Darstellung komplexer Interaktionen<br />

– Modellierung einzelner Interaktionen z. B. mit Sequenzdiagrammen<br />

– Übersicht über Gesamtinteraktion in Interaktionsübersichtsdiagramm<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 276

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Neue Diagrammtypen – Zeitverlaufsdiagramm<br />

– Übersichtliche Darstellung zeitgeb<strong>und</strong>ener Abläufe<br />

– Spezielles Sequenzdiagramm<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 277

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 3.4<br />

Erstellen Sie ein OO-Modell der skizzierten Tankanlage.<br />

Einlassventil 1 Einlassventil 2<br />

Tank<br />

Auslassventil<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 278

AT II<br />

§ 3 Methoden <strong>für</strong> die Entwicklung von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

3.1 Allgemeine Lösungsmethoden<br />

3.2 Modellierungskonzepte<br />

3.3 Strukturierte Analyse Real-Time<br />

3.4 Objektorientierte Modellierung<br />

3.5 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 279

3.5 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Zusammenfassung Kapitel 3<br />

– Modelle sind Abbilder der Realität. Die Kunst der Modellbildung besteht in<br />

der nicht-verfälschenden Vereinfachung.<br />

– Prinzipielle Schritte bei der Problemlösung sind: Problemstrukturierung,<br />

Lösungsfindung, Bewertung.<br />

– SA/RT ist eine semi-formale Methode zur Analyse von Informationssystemen<br />

unter Berücksichtigung von Zeitanforderungen<br />

– Die oberste Ebene eines SA/RT-Modells wird Kontextdiagramm genannt<br />

<strong>und</strong> enthält lediglich einen Prozess sowie Schnittstellen zur Umwelt.<br />

– Requirements Dictionary, Mini-Specs <strong>und</strong> Kontrollspezifikationen definieren<br />

Informationsflüsse, Prozesse (auf unterster Ebene) <strong>und</strong> Verhalten.<br />

– Die objektorientierte Modellierung erlaubt die Beschreibung eines<br />

Systems mit verschiedenen Diagrammtypen auf Basis von realen <strong>und</strong><br />

gedachten Objekten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 280

AT II<br />

§ 4 Automatisierung mit qualitativen Modellen<br />

Lernziele<br />

– Verstehen, was qualitative Modellbildung ist<br />

– Entscheidungstabellen <strong>und</strong> kausale Netze entwerfen können<br />

– Qualitative Modelle mit Intervall-Variablen entwerfen können<br />

– Qualitative Modelle zur Prozessüberwachung <strong>und</strong> Diagnose anwenden<br />

können<br />

– Die Gr<strong>und</strong>züge der Fuzzy-Logik verstehen<br />

– Fuzzy-Controller entwerfen können<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 281

AT II<br />

§ 4 Automatisierung mit qualitativen Modellen<br />

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

4.4 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 282

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Qualitative Modellbildung<br />

– Gr<strong>und</strong>idee der qualitativen Modellbildung<br />

<br />

Qualitative Beschreibung des prinzipiellen Verhaltens<br />

– Vorteile qualitativer Modelle<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Globale Aussagen über das Verhalten des Prozesses<br />

Vermeidung eines aufwendigen quantitativen Modells<br />

Entspricht menschlicher Denkweise<br />

Einbeziehung von heuristischem Erfahrungswissen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 283

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Übersicht wichtiger Konzepte zur Modellierung technischer<br />

Prozesse<br />

Prozessmodelle<br />

Prozessmodelle von Fließprozessen<br />

(zeitkontinuierliche Prozesse)<br />

qualitative Modelle<br />

zeitkontinuierlicher<br />

Prozesse<br />

quantitative Modelle<br />

zeitkontinuierlicher<br />

Prozesse<br />

Prozessmodelle von<br />

Folge- <strong>und</strong> Stückprozessen<br />

(ereignisdiskrete<br />

Prozesse)<br />

Modelle mit<br />

kausalen<br />

Beziehungen<br />

Modelle mit<br />

Regeln<br />

Modelle mit<br />

qualitativen<br />

Variablen<br />

Mathematische<br />

Modelle<br />

Simulative<br />

Modelle<br />

Simulative<br />

Modelle<br />

Mathematische<br />

Modelle<br />

Modelle mit<br />

Werte-<br />

bereich-<br />

Variablen<br />

Modelle<br />

mit<br />

"fuzzy”<br />

Variablen<br />

Analytische<br />

mathematische<br />

Modelle<br />

Empirische<br />

mathematische<br />

Modelle<br />

Steuerungsablauf<br />

Modelle<br />

Zustandsmodelle<br />

Simulationssprachenorientierte<br />

Modelle<br />

Petri-<br />

Netz-<br />

Modelle<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 284

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Qualitative Modellierungskonzepte am Beispiel "Beheizung<br />

eines Hauses" (1)<br />

abströmende<br />

Wärmemenge<br />

Innentemperatur<br />

J<br />

Heizkörper<br />

Umgebungs-<br />

Temperatur J<br />

( J u<br />

< J )<br />

u<br />

Pumpe<br />

Warmwasser-<br />

Heizkessel<br />

Brenner<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 285

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Qualitative Modellierungskonzepte am Beispiel "Beheizung<br />

eines Hauses" (2)<br />

J u<br />

(t)<br />

Wesentliche<br />

physikalische<br />

Prozessgrößen<br />

J (t)<br />

zugefügte<br />

Wärmemenge<br />

q e<br />

(t)<br />

abströmende<br />

Wärmemenge<br />

q a<br />

(t)<br />

J J u Temperaturen in °C<br />

q e<br />

, q a<br />

zu- bzw. abströmende<br />

Wärmemenge in Cal/s<br />

Ergebnisgröße<br />

J (t)<br />

Einflussgrößen<br />

J<br />

u<br />

(t)<br />

J<br />

u<br />

(t)<br />

q e<br />

(t)<br />

(Ursachen)<br />

q e<br />

(t)<br />

q a<br />

(t)<br />

J(t)<br />

Wirkungsrichtung<br />

(Wirkung)<br />

Kausales<br />

qualitatives<br />

Prozessmodell<br />

Regel-orientiertes<br />

qualitatives<br />

Prozessmodell<br />

J<br />

u (t)<br />

q e<br />

(t)<br />

wenn<br />

dann<br />

wenn<br />

dann<br />

J > J u<br />

q a<br />

> 0<br />

q e<br />

> q a<br />

J > 0<br />

J(t)<br />

Qualitatives<br />

[ J Ju ] [ q ] a<br />

Modell mit<br />

d J<br />

J<br />

[ q ] + - [ ] [ ]<br />

Signume<br />

Variablen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 286

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Kausale qualitative Modelle<br />

– Beschreibung von Wirkungsbeziehungen zwischen Prozessvariablen<br />

<br />

"Lesart" der Beziehungen von den Wirkungen zu den Ursachen<br />

(entgegen der Wirkungsrichtung)<br />

– Reine phänomenologische Beschreibung<br />

<br />

Oberflächenwissen: Aus der Erfahrung gewonnenes Wissen über das äußere<br />

Verhalten eines technischen Systems (black box Betrachtung)<br />

Ergebnisgröße<br />

J (t)<br />

Einflussgrößen<br />

J u (t)<br />

J u (t)<br />

q a (t)<br />

J (t)<br />

q<br />

q e (t) e (t)<br />

(Ursachen)<br />

(Wirkung)<br />

Wirkungsrichtung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 287

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Regelorientierte Modelle<br />

– Regelorientierte Modellierungskonzepte<br />

<br />

<br />

Entscheidungstabellen<br />

Expertensysteme (Wissensbasierte Systeme)<br />

– Anwendung: Darstellung heuristischen Erfahrungswissens<br />

J<br />

u<br />

(t)<br />

wenn<br />

dann<br />

J > J u<br />

q a<br />

> 0<br />

J(t)<br />

q e<br />

(t)<br />

wenn<br />

dann<br />

q e<br />

> q a<br />

J > 0<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 288

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Entscheidungstabellen<br />

Name der<br />

Entscheidungstabelle<br />

Bedingungsteil<br />

Bedingung 1<br />

Bedingung 2<br />

.<br />

.<br />

.<br />

Bedingung n<br />

Aktionsteil<br />

Aktion 1<br />

Aktion 2<br />

.<br />

.<br />

.<br />

Aktion k<br />

Regel 1 Regel 2 . . . Regel m ELSE<br />

Kombinationen von Bedingungen,<br />

z.B. WENN Bedingung 1 UND Bedingung 2<br />

Sequenzen von Aktionen<br />

z.B. DANN 1. Aktion 2,<br />

2. Aktion k<br />

Vorteile: formale Darstellung, leicht erlernbar, übersichtlich<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 289

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Beispiel einer Entscheidungstabelle:<br />

Drehzahlregelung eines Motors<br />

Bedingungen Regel 1 Regel 2 Regel 3 Regel 4 ELSE<br />

Spannung im Toleranzbereich nein ja ja ja<br />

Drehzahl zu hoch normal<br />

zu<br />

niedrig<br />

Aktionen<br />

Motor abschalten 2 nein nein nein<br />

Motor abbremsen 1 ja nein nein<br />

Motor beschleunigen nein nein nein ja<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 290

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Wissensbasierte Modelle (Expertensysteme)<br />

– Verwendung von Produktionsregeln<br />

Prämissen<br />

Produktionsregeln<br />

Folgerungen<br />

Regel 1<br />

Motor<br />

abschalten<br />

Regel 2<br />

Motor<br />

abbremsen<br />

Spannung<br />

im Toleranzbereich<br />

Motor-<br />

Drehzahl<br />

Regel 3<br />

keine<br />

Operation<br />

Regel 4<br />

Motor<br />

beschleunigen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 291

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Beschreibung von Zeitbedingungen in<br />

Echtzeitexpertensystemen<br />

Beispiel: WENN 5 Sek<strong>und</strong>en nachdem die Pumpe eingeschaltet<br />

worden ist kein Wasser fließt<br />

DANN<br />

ist die Förderleistung der Pumpe beeinträchtigt<br />

oder es liegt eine Verengung des Zuflusses vor<br />

– Darstellung zeitlicher Angaben <strong>und</strong> Beziehungen<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Darstellung absoluter Zeitangaben (z.B. um 11:17 Uhr)<br />

Darstellung relativer Zeitangaben (z.B. 5 Min. 10 Sek. vor Zugeinfahrt)<br />

Explizite Darstellung von Zeitintervallen (z.B. 12:00 bis 12:30 Uhr)<br />

Implizite Darstellung von Zeitintervallen (z.B. "solange Wasser fließt”)<br />

Darstellung qualitativer Zeitbeziehungen (z.B. früher, später, während)<br />

Darstellung quantitativer Zeitbeziehungen (z.B. 5 Min. 10 Sek. später)<br />

– Anforderungen an Echtzeitexpertensysteme<br />

<br />

<br />

<br />

Zeitmodell zur expliziten Darstellung der Zeit<br />

Unterbrechbarkeit bei Alarmmeldungen<br />

Auswertungen müssen ohne Konsistenzprobleme fortsetzbar sein<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 292

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Künstliche neuronale Netze (KNN)<br />

Ausgangssignale<br />

Eingangssignale<br />

Knoten<br />

gewichtete<br />

Kante<br />

künstliches neuronales Netz (KNN)<br />

– Arbeitsweise<br />

<br />

Wert eines Knoten wird aus den Werten der vorhergehenden Knoten<br />

unter Berücksichtigung der Kantengewichtung bestimmt<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 293

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Vorgehensweise beim Entwurf eines KNNs<br />

– Auswahl eines geeigneten Netzwerktyps <strong>und</strong> einer günstigen Topologie<br />

– Durchführung von Trainings-Experimenten zur Veränderung der Gewichtsfaktoren<br />

– Im Falle der Konvergenz Einfrieren des neuronalen Netzes<br />

reale Ausgangsgrößen<br />

Eingangsgrößen<br />

Aktorik<br />

reale technische Anlage<br />

zu überwachendes<br />

technisches System<br />

Sensorik<br />

Lernalgorithmus<br />

+<br />

_<br />

Ausgangsgrößen<br />

des KNN<br />

künstliches neuronales Netz (KNN)<br />

Video: Künstliche Neuronale Netze<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 294

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Qualitative Modellbildung mit Signum-Variablen<br />

Prozessgrößen werden qualitativ durch einen Satz von Wertebereiche<br />

gekennzeichnet. Werteraum bei Signum-Variablen: (+, -, 0)<br />

Addition [x] + [y]<br />

Subtraktion [x] - [y]<br />

Multiplikation [x] [y]<br />

+<br />

[y]<br />

0<br />

-<br />

+<br />

[y]<br />

0<br />

-<br />

+<br />

[y]<br />

0<br />

-<br />

+<br />

+<br />

+<br />

?<br />

+<br />

+<br />

[x]<br />

0<br />

+<br />

0 -<br />

[x]<br />

0<br />

[x]<br />

0<br />

-<br />

?<br />

-<br />

-<br />

-<br />

-<br />

[x]<br />

[y]<br />

Vorzeichen der Variablen x<br />

Vorzeichen der Variablen y<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 295

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Qualitative Modellbildung mit Intervall-Variablen<br />

Erweiterung gegenüber Signum-Variablen hinsichtlich Einteilung der<br />

Wertebereiche in beliebige Anzahl von Intervallen.<br />

Darstellung: Intervall I mit Grenzen a,b <strong>und</strong> a b<br />

– Geschlossene Intervalle: x I = [a;b] a x b<br />

– Offene Intervalle: x I = (a;b) a < x < b<br />

– Halboffene Intervalle: x I = [a;b) a x < b<br />

x I = (a;b] a < x b<br />

– "Entartete Intervalle”: x I = (a;+) x > a<br />

x I = [a;+) x a<br />

x I = (-;a) x < a<br />

x I = [a;a] x = a<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 296

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Beispiele <strong>für</strong> arithmetische Intervall-Operationen (1)<br />

a) Addition : [a; b] + [c; d] = [a+c; b+d]<br />

I 1<br />

= [a; b] I 2<br />

= [c; d]<br />

0 a b c d<br />

10<br />

x<br />

I 1 + I 2 = [ a + c; b + d ]<br />

I 1<br />

+ I 2<br />

= [a + c; b + d]<br />

0 5<br />

10<br />

x<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 297

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Beispiele <strong>für</strong> arithmetische Intervall-Operationen (2)<br />

b) Negation : -[a; b] = [-b; -a]<br />

l 1<br />

= [ a; b ]<br />

-5<br />

- I 1<br />

= [-b, -a]<br />

0<br />

a b 5<br />

x<br />

-5<br />

-b -a<br />

0<br />

5<br />

x<br />

c) Subtraktion : [a; b] - [c; d] = [a-d; b-c]<br />

l 1<br />

= [ a; b ] l 2<br />

= [ c; d ]<br />

-5<br />

l 1<br />

- l 2<br />

= [a - d; b - c]<br />

a<br />

b<br />

c<br />

d<br />

5<br />

x<br />

-5<br />

5<br />

x<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 298

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 4.1<br />

Ein Aufzug steht ohne "Ruf" oder "Kommandos" mit geschlossener Tür auf<br />

Etage n. Mit Hilfe nachstehender Entscheidungstabelle ist zu bestimmen, ob<br />

die Tür geöffnet wird <strong>und</strong> welche Fahrtrichtung festzulegen ist.<br />

Regeln<br />

R1 R2 R3 R4 Else<br />

Ruf oder Kommando<br />

auf Etage n<br />

Ruf oder Kommando<br />

abwärts<br />

Ruf oder Kommando<br />

aufwärts<br />

Sicherheitskreise in<br />

Ordnung<br />

Tür öffnen<br />

Abwärtsfahrt<br />

Aufwärtsfahrt<br />

Halt<br />

1 0 0<br />

-<br />

-<br />

1<br />

0<br />

0<br />

1<br />

1 1 1<br />

-<br />

-<br />

-<br />

0<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 299

AT II<br />

§ 4 Automatisierung mit qualitativen Modellen<br />

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

4.4 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 300

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

– Erstellung quantitativer Prozessmodelle zur modellbasierten<br />

Prozessüberwachung häufig schwierig<br />

– Für Prozessüberwachung ist qualitative Modellierung häufig ausreichend<br />

Ansätze zur Informationsorientierten Überwachung mit qualitativen Modellen<br />

– Prozessüberwachung unter Verwendung von kausalen Netzen<br />

– Prozessüberwachung unter Verwendung von qualitativen Variablen<br />

Signum-Variablen<br />

Intervall-Variablen<br />

– Prozessüberwachung mit Hilfe von wissensbasierten Methoden<br />

– Prozessüberwachung mit Hilfe von neuronalen Netzen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 301

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Anwendung kausaler Modelle zur Prozessüberwachung<br />

– Konzept: Erstellung eines Ursache-Wirkungsgeflechts<br />

<br />

<br />

Erfassung erkennbarer Wirkungen<br />

Zuordnung bekannter Wirkungen zu Ursachen<br />

– Anwendung: Auswertung von Alarmmeldungen aus signalorientierter<br />

Überwachung<br />

<br />

<br />

Bei größeren Anlagen können auf einen Alarm viele Alarme folgen<br />

(expandierende Ausfälle)<br />

Auswertung hilft Übersicht zu behalten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 302

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Prozessüberwachung mit kausalen Netzen am Beispiel einer<br />

verfahrenstechnischen Anlage zur Wasserversorgung<br />

Regler<br />

Behälter<br />

3<br />

Überlauf<br />

Hochbehälter<br />

Überlauf<br />

Wasser-<br />

Zufluss<br />

(Quelle)<br />

Behälter<br />

1<br />

Überlauf<br />

Pumpe<br />

Regler<br />

Behälter<br />

2<br />

Ventil<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 303

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Kausales Netz der Wasserversorgungsanlage in Form eines<br />

Ereignisgraphen Quelle Behälter 1 Alarm<br />

trocken läuft leer 1L<br />

Füllstandsregelung Behälter 2 Alarm<br />

Behälter 2 läuft leer 2L<br />

blockiert<br />

Ventil<br />

geschlossen<br />

blockiert<br />

Ventil ist<br />

offen blockiert<br />

Füllstandsregelung<br />

Behälter 2<br />

ausgefallen<br />

Ventil Behälter 2 Alarm<br />

ist offen läuft über 2H<br />

Stromausfall<br />

Pumpen-<br />

Antriebsmotor<br />

defekt<br />

Füllstands- Behälter 3 Alarm<br />

regelung läuft leer 3L<br />

Behälter 3<br />

ausgefallen<br />

Pumpe<br />

läuft nicht<br />

Rohrleitung Wasserdruck Alarm<br />

zum Verbraucher zu niedrig 4L<br />

ist verstopft<br />

Füllstandssensor- Behälter 3 Alarm<br />

Behälter 3 läuft über 3H<br />

ausgefallen<br />

Schütz des<br />

Pumpenmotors<br />

öffnet nicht<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 304

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Zuordnung von Alarmmustern zu Ausfallarten auf Basis des<br />

ermittelten kausalen Netzes (Live-Mitschrieb)<br />

Ausfall<br />

Quelle ist trocken<br />

Ventil ist offen blockiert<br />

Ventil ist geschlossen blockiert<br />

Regler <strong>für</strong> Behälter 2 blockiert<br />

Stromausfall<br />

Pumpen-Antriebsmotor defekt<br />

Rohrleitung verstopft<br />

Sensor Behälter 3 ausgefallen<br />

Schütz Pumpenmotor öffnet nicht<br />

Alarmmeldungen<br />

1L 2L 3L 4L 2H 3H<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 305

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Prozessüberwachung mit Intervallvariablen<br />

– Prinzipielles Verfahren der Prozessüberwachung unter Verwendung<br />

qualitativer Intervallvariablen<br />

Qualitatives Prozessmodell des<br />

bestimmungsgemäßen <strong>und</strong> des<br />

nicht-bestimmungsgemäßen<br />

Betriebes der Einzelkomponenten<br />

des Gesamtsystems<br />

Auswertung<br />

Fehler<br />

arten,<br />

Fehlerort<br />

Technischer Prozess<br />

Reale technische Anlage<br />

Gemessene<br />

Ausgangsgrößen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 306

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Erstellung eines qualitativen Prozessmodells mit Intervall-<br />

Variablen zur Prozessüberwachung<br />

1. Definition von Intervallen <strong>für</strong> die Prozessgrößen<br />

2. Aufstellen einer Tabelle aller Intervall-Kombinationen (Situationen) in<br />

Form einer vollständigen Situationstabelle<br />

3. Aufstellen der statischen <strong>und</strong> physikalischen Bedingungen <strong>für</strong> die<br />

Prozessgrößen<br />

4. Anwendung dieser Bedingungen, um eine reduzierte Situationstabelle<br />

zu erhalten<br />

5. Aufstellen dynamischer Beziehungen zwischen den Prozessgrößen<br />

6. Anwendung dieser Beziehungen zur Aufstellung eines dynamischen<br />

Modells<br />

7. Auswertung der reduzierten Situationstabelle <strong>und</strong> der Ergebnisse der<br />

dynamischen Analyse zur Fehlererkennung <strong>und</strong> Fehlerortung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 307

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Prozessüberwachung mit Intervall-Variablen am Beispiel<br />

Wasserversorgungsanlage (Teilsystem Hochbehälter)<br />

Ziel der Überwachung: Ausfälle <strong>und</strong> nicht-bestimmungsgemäße Betriebszustände<br />

erkennen <strong>und</strong> Alarmmeldungen ausgeben<br />

3<br />

2<br />

RI-Fließbild des<br />

Hochbehälters aus<br />

der Wasserversorgungsanlage<br />

1<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 308

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

Beispiel Hochbehälter<br />

Schritt 1: Intervalldefinition <strong>für</strong> die Prozessgrößen<br />

Druck P1<br />

AT II<br />

[1;1]<br />

[0;0] (0;0,9)<br />

[0,9;1)<br />

0<br />

0,9 1<br />

Zu- bzw. Abfluss Q1<br />

“-“ “0“ “+“<br />

(-;0)<br />

[0;0]<br />

(0;+)<br />

0<br />

Überlauf-Abfluss Q2<br />

“0“ “+“<br />

[0;0] (0;+)<br />

0<br />

Schalterstellung des Schwimmerschalters S1<br />

“0“<br />

“1“<br />

[0;0]<br />

[1;1]<br />

0<br />

1<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 309

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Beispiel Hochbehälter<br />

Schritt 2: Vollständige Situationstabelle<br />

– Vollständige Situationstabelle = Tabelle aller Intervall-Kombinationen<br />

n(x):<br />

Zahl der Intervalle <strong>für</strong> ein Variable x<br />

n = n(P1) • n(Q1) • n(Q2 ) • n(S) = 4 • 3 • 2 • 2 = 48<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 310

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Beispiel Hochbehälter<br />

Schritt 3: Statische Bedingungen <strong>für</strong> die Prozessgrößen<br />

Behälter leer: P 1 = 0; Q 1 0; Q 2 = 0; S = 0<br />

Behälter teilweise gefüllt<br />

(Normalbetrieb): 0 P 1 0,9; Q 1 beliebig; Q 2 = 0; S = 0<br />

Füllstand erreicht die<br />

vorgesehene max.<br />

Füllhöhe: P 1 = 0,9; Q 1 beliebig; Q 2 = 0; S = 1<br />

Füllstand erreicht den<br />

oberen Behälterrand P 1 1; Q 1 0 Q 2 0; S = 1<br />

(Überlauf): P 1 = 1; Q 1 0 Q 2 = 0; S = 1<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 311

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Beispiel Hochbehälter<br />

Schritt 4: Reduzierung der Situationstabelle<br />

Abkürzungen:<br />

P 1<br />

Q 1<br />

Q 2<br />

L = leer<br />

N = normal<br />

V = voll<br />

Ü = Überlauf<br />

- = Abfluss<br />

0 = Null<br />

+ = Zufluss<br />

0 = Null<br />

+ = Überlauf<br />

vollständige<br />

Situationstabelle<br />

(Ausschnitt)<br />

Berücksichtigung<br />

statischer<br />

Bedingungen<br />

reduzierte<br />

Situationstabelle<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 312

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Beispiel Hochbehälter<br />

Schritt 5: Untersuchung des dynamischen Verhaltens<br />

– Bestimmung der Energie tragenden Prozessgrößen:<br />

nur stetige Änderung des Energieinhalts möglich<br />

Füllstand Druck P1<br />

– Relationen zwischen Prozessvariablen<br />

Wasserzufluss (Q1 - Q2 ) 0: Füllstand steigt<br />

Wasserabfluss (Q1 - Q2 ) 0: Füllstand sinkt<br />

Quantitativer zeitlicher Zusammenhang: P( t ) P( t ) c ( Q Q ) dt<br />

t1<br />

1 1 1 0 1<br />

t0<br />

<br />

2<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 313

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Beispiel Hochbehälter<br />

Schritt 6: Dynamisches<br />

Zustandsmodell<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 314

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

Beispiel Hochbehälter<br />

Schritt 7: Erkennung von Fehlern <strong>und</strong> Ausfällen im nichtbestimmungsgemäßen<br />

Betrieb<br />

– Reduzierte Situationstabelle:<br />

Erkennen des Überlaufens oder Leerlaufens des Behälters<br />

Situationen: 5, 9, 48<br />

– Dynamische Modellierung:<br />

Kriterium <strong>für</strong> die Überprüfung der Sensoren<br />

Bsp.: Ausfall Schwimmschalter<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 315

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

AT II<br />

A<br />

IAB<br />

PAB<br />

C<br />

S<br />

B<br />

Frage zu Kapitel 4.2<br />

Rechts ist das qualitative Prozessmodell eines Ventils dargestellt. Welche der<br />

hierzu links aufgelisteten Situationen können bei einem fehlerfreien Ventil<br />

nicht auftreten? Das Ventil ist im geöffneten Zustand <strong>für</strong> die durchströmende<br />

Flüssigkeit widerstandsfrei.<br />

I AB : Flussstärke von A nach B<br />

P AB : Druckabfall von A nach B<br />

S: Ventilansteuerung (0 = zu)<br />

Nr.<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

IAB PAB S<br />

[0,0] [0,0] 0<br />

(0, ) [0,0] 0<br />

[0,0] (0, ) 0<br />

(0, ) (0, ) 0<br />

[0,0] [0,0] 1<br />

(0, ) [0,0] 1<br />

[0,0] (0 ) 1<br />

(0, ) (0, ) 1<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 316

AT II<br />

§ 4 Automatisierung mit qualitativen Modellen<br />

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

4.4 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 317

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

– Fuzzy (engl.): "unscharf", "unsicher", "verschwommen"<br />

– Fuzzy-Logik = "unscharfe Logik":<br />

Erweiterung der klassischen Mengenlehre <strong>und</strong> der binären Logik<br />

Lotfi A. Zadeh<br />

<br />

<br />

Professor an der University of California, Berkley<br />

1965 Veröffentlichung des gr<strong>und</strong>legenden Artikels<br />

"Fuzzy Sets" (in: Information and Control 8, S. 338ff)<br />

As complexity rises, precise statements lose meaning and<br />

meaningful statements lose precision. - Lotfi Zadeh<br />

– Fuzzy-Control bezeichnet die Anwendung der Fuzzy-Logik in der<br />

<strong>Automatisierungs</strong>technik<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 318

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Merkmale von Fuzzy-Logik<br />

– Qualitative Aussagen (z.B. "großes Haus") sind gängige Form empirisches<br />

Wissen zu formulieren<br />

– Merkmale von Fuzzy-Logik<br />

<br />

<br />

<br />

Ermöglicht mathematische Darstellung qualitativer Zusammenhänge<br />

Eignet sich zur Formulierung komplexen empirischen Wissens<br />

Entspricht dem menschlichen Sprachverständnis<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Merkmale von Fuzzy-Control<br />

– Merkmale von Fuzzy-Control<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Ermöglicht Modellierung auf Basis von empirischem Expertenwissen<br />

Kein Modell der Regelstrecke notwendig<br />

Modelle sind einleuchtend <strong>und</strong> <strong>für</strong> Anwender transparent<br />

Komplexe Nichtlinearitäten sind (einfach) zu beherrschen<br />

– Fuzzy-Logik ist kein Allheilmittel<br />

<br />

<br />

Kein Ersatz, sondern Ergänzung zur klassischen Regelungstechnik<br />

Sehr viele Freiheitsgrade, müssen geeignet berücksichtigt werden<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Klassische Mengen vs. Fuzzy-Mengen<br />

– Klassische Menge (scharfe Menge)<br />

Element x gehört entweder zu Menge M oder nicht zu Menge M<br />

Menge M großer Figuren<br />

– Fuzzy-Menge (unscharfe Menge)<br />

<br />

Element x gehört zu einem gewissen Grade zur Menge M<br />

Fuzzy-Menge M großer Figuren<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Darstellung einer klassischen Menge<br />

– Charakteristische Funktion m M (x) legt Zugehörigkeit fest<br />

m M<br />

( x)<br />

<br />

1,<br />

falls<br />

<br />

0,<br />

falls<br />

x M<br />

x M<br />

1<br />

m M (x)<br />

M { x , x 2 5}<br />

0<br />

x (cm 2 )<br />

x 4 x 1 x 3 x 2 x 5<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Darstellung einer Fuzzy-Menge<br />

– Zugehörigkeitsfunktion µ groß (x) legt Zugehörigkeit fest<br />

groß<br />

( x)<br />

: X [0;1]<br />

1<br />

linguistischer Term<br />

µ groß (x)<br />

"groß"<br />

groß<br />

{[ x,<br />

<br />

{( x<br />

groß<br />

;0),( x<br />

( x)]|<br />

x X }<br />

;0),( x<br />

;0,4),( x<br />

;1),(<br />

4 1 3<br />

2<br />

x5<br />

Menge<br />

geordneter Paare<br />

;1)}<br />

0,4<br />

0<br />

µ groß (x 3 ) = 0,4<br />

x (cm 2 )<br />

x 4 x 1 x 3 x 2 x 5<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Eigenschaften von Zugehörigkeitsfunktionen<br />

– Große Vielfalt von Zugehörigkeitsfunktionen möglich<br />

<br />

In der Praxis relevant: abschnittsweise definierte Geraden<br />

– Wesentliche Kenngrößen sind:<br />

<br />

Träger (engl. Support):<br />

supp ( x) : {<br />

x | μ(x) 0}<br />

<br />

Toleranz:<br />

toleranz( x) : {<br />

x | μ(x) 1}<br />

1<br />

"klein"<br />

"mittel"<br />

"groß"<br />

– Fuzzy-Mengen mit gleichem<br />

Träger <strong>und</strong> gleicher Toleranz<br />

heißen fuzzyähnlich<br />

toleranz(x)<br />

supp(x)<br />

– Fuzzy-Mengen mit Maximalwert 1 0<br />

heißen normal, Fuzzy-Mengen mit<br />

Maximalwert

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Abgrenzung zur Wahrscheinlichkeitstheorie<br />

Mit Zugehörigkeit 0,9<br />

genießbar<br />

Mit Wahrscheinlichkeit<br />

0,9 genießbar<br />

– Fuzzy-Logik beschreibt lokale Unsicherheit<br />

– Wahrscheinlichkeitstheorie beschreibt globale Unsicherheit<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Operatoren auf Fuzzy-Mengen (1)<br />

– Verknüpfungen auf gleicher Gr<strong>und</strong>menge<br />

1<br />

klein mittel groß<br />

0<br />

UND<br />

µ klein UND mittel = min(µ klein , µ mittel )<br />

ODER<br />

µ klein ODER mittel = max(µ klein , µ mittel )<br />

NICHT<br />

1 - µ mittel<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Operatoren auf Fuzzy-Mengen (2)<br />

– Verknüpfungen auf unterschiedliche Gr<strong>und</strong>mengen<br />

<br />

<br />

Gleiche Operatoren wie bei Verknüpfung auf gleicher Gr<strong>und</strong>menge<br />

Verknüpft werden nur die Antworten der Fuzzy-Mengen auf konkrete<br />

Eingangswerte<br />

– Beispiel: klein UND gelb<br />

1<br />

0,7<br />

0<br />

klein mittel groß<br />

cm 2<br />

1<br />

0,3<br />

0<br />

rot<br />

gelb grün blau<br />

Hz<br />

Eingangswert<br />

Eingangswert<br />

klein UND gelb = min(0,7;0,3) = 0,3<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Fuzzy-Implikation<br />

Fuzzy-Implikation = Fuzzy-Logische Schlussfolgerung<br />

Prinzip: Prämisse teilweise wahr Konklusion teilweise wahr<br />

Realisierung am Beispiel: WENN x = klein DANN z = Ausschuss<br />

– Möglichkeit 1:<br />

MIN-Methode<br />

(Abschneiden)<br />

1<br />

klein<br />

mittel groß<br />

1<br />

Ausschuss<br />

OK<br />

x<br />

0<br />

cm 2 0<br />

– Möglichkeit 2:<br />

Produkt-Methode<br />

(Skalieren)<br />

x<br />

1<br />

0<br />

klein<br />

mittel groß Ausschuss<br />

1<br />

OK<br />

cm 2 0<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Logische Struktur eines Fuzzy-Controllers<br />

Eingangsgrößen<br />

e1<br />

e2<br />

WENN ... UND ...<br />

DANN ...<br />

WENN ... UND ...<br />

DANN ...<br />

WENN ... UND ...<br />

DANN ...<br />

Stellgröße<br />

u<br />

en<br />

Fuzzifizierung<br />

Inferenz<br />

Defuzzifizierung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 329

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Fuzzifizierung<br />

Eingangswerte Zugehörigkeitsgrade<br />

Beispiel: Jahreszeiten<br />

µ Winter µ Frühling<br />

µ Sommer<br />

µ Herbst<br />

Jan Feb März April Mai Juni Juli Aug Sep Okt Nov Dez<br />

µ Frühling (21.09.) =<br />

µ Sommer (21.09.) =<br />

µ Herbst (21.09.) =<br />

µ Winter (21.09.) =<br />

0<br />

0,5<br />

0,5<br />

0<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Fuzzy-Inferenz<br />

– Aufbau eines Fuzzy-Regelwerks<br />

WENN Sommer<br />

WENN (Winter UND kalt)<br />

DANN nicht heizen<br />

DANN stark heizen<br />

WENN (Winter UND warm) DANN wenig heizen<br />

....<br />

– Auswertung eines Fuzzy-Regelwerks<br />

1. Ermittlung des Erfüllungsgrad der einzelnen Prämissen<br />

2. Fuzzy-Implikation <strong>für</strong> jede Regel<br />

3. Überlagerung sämtlicher Einzel-Konklusionen<br />

Ergebnis: Resultierende Ausgangs-Zugehörigkeitsfunktion<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Defuzzifizierung<br />

– Ermittlung einer Ausgangsgröße auf Basis der resultierenden Ausgangs-<br />

Zugehörigkeitsfunktion<br />

– Realisierung z.B. Mit Flächenschwerpunktsmethode<br />

1<br />

S<br />

0<br />

Ausgangsgröße u<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Entwurfsschritte<br />

1. Wahl der Eingangs- <strong>und</strong> Ausgangsgrößen <strong>und</strong> Festlegung ihrer<br />

Wertebereiche<br />

2. Definition linguistischer Terme <strong>und</strong> ihrer Zugehörigkeitsfunktionen<br />

3. Aufstellen der Regelbasis<br />

<br />

<br />

Z. B. mittels Experteninterview oder Heuristiken<br />

Vollständige Berücksichtigung des Eingangswertebereichs<br />

4. Evaluation z. B. durch Simulation<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Wahl der Zugehörigkeitsfunktionen<br />

– Verwendung ausschließlich normaler Zugehörigkeitsfunktionen<br />

– Aufteilung der Eingangs- <strong>und</strong> Ausgangs-Wertebereiche in eine i.d.R.<br />

ungerade Anzahl von Fuzzy-Mengen<br />

<br />

Eingangs-Fuzzy-Mengen sollten sich zu 20% - 50% überlappen<br />

– Symmetrische Erweiterung der Rand-Zugehörigkeitsfunktionen des<br />

Ausgangs-Wertebereichs über die jeweilige Wertebereichsgrenze hinaus<br />

<br />

Ermöglicht Ausgangswerte auf Wertebereichsgrenzen<br />

NB: negativ big<br />

NM: negativ medium<br />

NS: negativ small<br />

ZO: zero<br />

PS: positiv small<br />

PM: positiv medium<br />

PB: positiv big<br />

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4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Beispiel: Temperaturregelung (1)<br />

– Aufgabenstellung: Abhängig von der Abweichung der momentanen Ist-Temperatur<br />

von der Soll-Temperatur sowie der zeitlichen Änderungsrate der Temperatur soll die<br />

einzustellende Heizleistung bestimmt werden.<br />

– Eingangsgrößen<br />

<br />

Abweichung e1 mit linguistischen Termen: [zu kalt, ok, zu warm]<br />

zu kalt 1 ok zu warm<br />

-10 °C<br />

0<br />

10 °C<br />

<br />

Änderungsrate e2 mit linguistischen Termen: [fallend, null, steigend]<br />

fallend 1 null steigend<br />

– Ausgangsgrößen<br />

-1 °C/min 0<br />

1 °C/min<br />

Heizleistung u mit linguistischen Termen: [wenig, mittel, stark]<br />

wenig 1mittel stark<br />

0<br />

500<br />

1000<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 335

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Beispiel: Temperaturregelung (2)<br />

– Regeln<br />

R1: WENN e1 = zu warm DANN u = wenig<br />

R2: WENN e1 = ok UND e2 = fallend DANN u = mittel<br />

R3: WENN e1 = ok UND e2 = null DANN u = wenig<br />

R4: WENN e1 = ok UND e2 = steigend DANN u = wenig<br />

R5: WENN e1 = zu kalt UND e2 = fallend DANN u = stark<br />

R6: WENN e1 = zu kalt UND e2 = null DANN u = stark<br />

R7: WENN e1 = zu kalt UND e2 = steigend DANN u = mittel<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 336

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Arbeitsweise eines Fuzzy-Controllers am Beispiel<br />

Temperaturregelung<br />

e1 e2 u<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 337

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Technische Realisierung des Beispiels<br />

Temperaturregelung mittels eines Kennfelds<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 338

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Übertragungsverhalten von Fuzzy-Controllern<br />

– Eingangs-Zugehörigkeitsfunktionen haben großen Einfluss auf die Gestalt<br />

der Übertragungskennlinie<br />

<br />

<br />

Größere Überlappung glatterer Verlauf<br />

Geringere Einflussbreite steilerer Verlauf<br />

– Ausgangs-Zugehörigkeitsfunktionen haben geringen Einfluss auf die<br />

Gestalt der Übertragungskennlinie<br />

<br />

Extremfall: Zugehörigkeitsfunktion mit nur einem diskreten Wert (Singleton)<br />

Beispiel:<br />

NB NS ZO PS PB<br />

1<br />

u<br />

NB NS ZO PS PB<br />

e<br />

e<br />

u<br />

-1<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 339

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 4.3<br />

Verknüpfen Sie die dargestellten Fuzzy-Mengen entsprechend den<br />

angegebenen Operationen.<br />

1<br />

A<br />

B<br />

0<br />

A <strong>und</strong> B<br />

1<br />

A oder B<br />

0<br />

1<br />

0<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 340

AT II<br />

§ 4 Automatisierung mit qualitativen Modellen<br />

4.1 Qualitative Modellbildung<br />

4.2 Prozessüberwachung mit qualitativen Modellen<br />

4.3 Fuzzy-Logik <strong>und</strong> Fuzzy-Control<br />

4.4 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 341

4.4 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Zusammenfassung Kapitel 4 (1)<br />

– Qualitative Modellbildung (von Fließprozessen) bezeichnet eine auf das<br />

prinzipielle Verhalten reduzierte Modellbildung.<br />

– Man unterscheidet Modelle mit kausalen Beziehungen (z. B. kausale<br />

Netze), Modelle mit Regeln (z. B. Entscheidungstabellen) sowie Modelle<br />

mit qualitativen Variablen (z. B. Intervallvariablen).<br />

– Entscheidungstabellen bestehen aus einem Bedingungsteil <strong>und</strong> einem<br />

Aktionsteil, welche durch WENN-DANN-Regeln verknüpft werden.<br />

– Qualitative Modelle können zur Prozessüberwachung verwendet werden.<br />

Vorteil ist ein geringerer Aufwand gegenüber quantitativen Modellen.<br />

– Kausale Netze werden speziell zur Auswertung von Alarmmeldungen aus<br />

einer signalorientierten Überwachung verwendet.<br />

– Bei Verwendung qualitativer Variablen werden die Prozessgrößen durch<br />

Intervalle dargestellt <strong>und</strong> zu sog. Situationen kombiniert, welche das<br />

Prozessgeschehen beschreiben.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 342

4.4 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Zusammenfassung Kapitel 4 (2)<br />

– Fuzzy-Logik ist eine Erweiterung der klassischen Mengenlehre <strong>und</strong> der<br />

binären Logik.<br />

– Zur Darstellung "unscharfer" Mengen verwendet Fuzzy-Logik sog. Zugehörigkeitsfunktionen,<br />

welche durch Fuzzy-Operatoren logisch verknüpft<br />

werden können.<br />

– Gr<strong>und</strong>konzept der Fuzzy-Implikation ist: Wenn Prämisse teilweise wahr,<br />

dann Konklusion teilweise wahr.<br />

– Fuzzy-Control bezeichnet die Anwendung der Fuzzy-Logik in der <strong>Automatisierungs</strong>technik<br />

<strong>und</strong> ermöglicht eine Prozessautomatisierung auf<br />

Basis empirischen Expertenwissens.<br />

– Wesentliche Bestandteile eines Fuzzy-Controllers sind die Fuzzifizierung,<br />

das Regelwerk (Inferenz) sowie die Defuzzifizierung.<br />

– Ein Fuzzy-Controller entspricht einen Kennfeldregler.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 343

4.4 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Vorbereitungsfragen zu Kapitel 4<br />

Frage 1: Fuzzy-Control (SS 12)<br />

Die Kühlleistung einer begehbaren Industriekühlkammer soll durch einen Fuzzy-Controller<br />

berechnet werden. Als Eingangswerte stehen die Größen T SOLL (-20 … +15 °C),<br />

T IST (-25 … +40 °C) <strong>und</strong> dT IST /dt (-2 .. +5 °C/min) zur Verfügung. Konstruieren Sie einen<br />

Fuzzy-Controller, der aus der Differenz von Ist- <strong>und</strong> Solltemperatur sowie der aktuellen<br />

Änderungsrate die Kühlleistung bestimmt.<br />

Frage 2: Fuzzy-Control (WS 01/02)<br />

Eine Heizungsanlage soll mit Hilfe eines Fuzzy-Controllers geregelt werden. Definieren Sie<br />

hierzu entsprechende Zugehörigkeitsfunktionen <strong>für</strong> die Regelgröße Raumtemperatur<br />

(Wertebereich: 10°C bis 25°C). Die Zugehörigkeitsfunktionen sollen sich mindestens zu 25%,<br />

maximal zu 50% überlappen. Beschriften Sie die Funktionen mit linguistischen Termen.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 344

AT II<br />

§ 5 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

Lernziele<br />

– Die Begriffe Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit erklären <strong>und</strong> unterscheiden<br />

können<br />

– Methoden zur Zuverlässigkeitsberechnung verstehen <strong>und</strong> anwenden<br />

können<br />

– Die Gr<strong>und</strong>konzepte der Sicherheitstechnik kennen<br />

– Wissen, welche Methoden zur Sicherheitsanalyse existieren<br />

– Die Verfahren FTA, ETA <strong>und</strong> FMEA verstehen <strong>und</strong> anwenden können<br />

– Wissen, welche Maßnahmen zur Steigerung von Sicherheit <strong>und</strong><br />

Zuverlässigkeit angewendet werden<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 345

AT II<br />

§ 5 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

5.3 Sicherheitstechnik<br />

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

5.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 346

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Bedeutung von Zuverlässigkeit <strong>und</strong> Sicherheit in der<br />

Prozessautomatisierung<br />

– Mögliche Auswirkungen von Fehlern in <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Ärgernis<br />

Zeitverzug<br />

Mehrarbeit<br />

Entgangener Gewinn<br />

Vermögensverlust<br />

Beschädigung von Gegenständen<br />

Reparaturkosten<br />

Schadensersatzzahlungen<br />

Verletzung von Menschen<br />

Tod von Menschen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 347

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Begriff: Zuverlässigkeit<br />

Zuverlässigkeit<br />

Eigenschaft, während einer vorgegebenen Zeitdauer bei zulässigen<br />

Betriebsbedingungen die spezifizierte Funktion zu erbringen.<br />

– Charakteristika<br />

<br />

<br />

<br />

Maßnahmen richten sich gegen das Auftreten von Fehlern <strong>und</strong><br />

Ausfällen<br />

Gründe <strong>für</strong> Maßnahmen: Wirtschaftlichkeit<br />

Nachweisverfahren: Zuverlässigkeitsberechnung, lange<br />

Garantiezeiten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 348

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Begriff: Sicherheit<br />

Sicherheit<br />

Sachlage, innerhalb vorgegebener Grenzen <strong>für</strong> eine gegebene Zeitdauer<br />

keine Gefahr zu bewirken oder eintreten zu lassen.<br />

– Charakteristika<br />

<br />

<br />

<br />

Maßnahmen richten sich gegen gefährliche Auswirkungen von<br />

Fehlern <strong>und</strong> Ausfällen<br />

Gründe <strong>für</strong> Maßnahmen: Genehmigung durch Zulassungsbehörde<br />

Nachweisverfahren: Sicherheitsnachweis<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 349

Gefahrenpotential<br />

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Anwendungsgebiete der <strong>Automatisierungs</strong>technik, in denen<br />

Zuverlässigkeit <strong>und</strong> Sicherheit gefordert wird<br />

Kernreaktor<br />

Chemischer Reaktor<br />

Flugzeug<br />

Ölbohrinsel<br />

Eisenbahnsignalanlagen<br />

Spurgeführter Omnibus<br />

Dampfkessel<br />

Aufzug<br />

Straßenverkehrs-Signalanlagen<br />

Gas- <strong>und</strong> Ölrohrleitungen<br />

Seilbahnen<br />

Fahrgeschäfte<br />

Krananlagen<br />

Fahrtreppen<br />

Hebebühnen<br />

Elektromedizinische Geräte<br />

Kraftfahrzeug<br />

Hochspannungs-Schaltanlagen<br />

Pressen<br />

Kraftbetriebene Tore<br />

Haushaltsgeräte<br />

Skibindungen<br />

Video: Sicherheit bei <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 350

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Definition des Begriffs Sicherheit über den Begriff des<br />

Risikos (Live-Mitschrieb)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 351

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Gefährdung durch Versagen von <strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

– Falsche Steuersignale führen im gesteuerten technischen Prozess zu einer<br />

Gefahr<br />

– Aussetzen einer Überwachungsfunktion führt zu einer Gefahr im<br />

technischen Prozess<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 352

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Sicherheit = safety, security (1)<br />

Sicherheit (Safety):<br />

Menschen<br />

Umwelt<br />

<strong>Automatisierungs</strong>system<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 353

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Sicherheit = safety, security (2)<br />

Sicherheit (Security):<br />

Menschen<br />

Umwelt<br />

<strong>Automatisierungs</strong>system<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 354

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Begriffe: Verfügbarkeit <strong>und</strong> Verlässlichkeit<br />

Verfügbarkeit<br />

Wahrscheinlichkeit, ein reparierbares System zu einem vorgegebenen<br />

Zeitpunkt in funktionsfähigem Zustand anzutreffen.<br />

Verlässlichkeit<br />

Eigenschaft eines Systems, die es erlaubt, volles Vertrauen in die<br />

bereitgestellte Funktionalität zu setzen.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 355

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Begriffe: Ausfall <strong>und</strong> Fehler (DIN 40041)<br />

Fehler<br />

Nichterfüllung vorgegebener Forderungen (Zustand).<br />

Ausfall<br />

Aussetzen der Ausführung einer festgelegten Aufgabe. Übergang vom<br />

fehlerfreien in den fehlerhaften Zustand (Ereignis).<br />

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5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Arten von Fehlern <strong>und</strong> Ausfällen die zu einem Versagen<br />

eines <strong>Automatisierungs</strong>systems führen können<br />

Pflichtenheftfehler<br />

Physikalische<br />

Fehler, die<br />

durch<br />

physikalische<br />

oder<br />

chemische<br />

Ausfallmechanismen<br />

oder Effekte<br />

verursacht<br />

werden<br />

Bauelemente -<br />

Ausfälle<br />

Elektromagnetische<br />

Störungen<br />

Software-<br />

Verfälschung<br />

durch sporadische<br />

Hardware-Ausfälle<br />

Versagen<br />

des <strong>Automatisierungs</strong>systems<br />

Software-Entwurfsfehler<br />

Software-Codierfehler<br />

Hardware-Entwurfsfehler<br />

Verdrahtungsfehler<br />

Dokumentationsfehler<br />

Bedienfehler<br />

Fehler bei Wartung<br />

Absichtliche Fehler<br />

(Vandalismus, Sabotage)<br />

Inhärente<br />

Fehler, die<br />

schon vor<br />

Beginn des<br />

Betriebes<br />

vorhanden<br />

sind<br />

Nichtinhärente<br />

Fehler, die<br />

erst nach<br />

der Inbetriebnahme<br />

begangen<br />

werden<br />

Ursache:<br />

"menschliche<br />

Fehlermechanismen"<br />

z.B.<br />

Denkfehler,<br />

Verständnisfehler,<br />

Kommunikationsfehler,<br />

Interpretationsfehler,<br />

Flüchtigkeitsfehler<br />

usw.<br />

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5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Übersicht<br />

wichtiger<br />

Begriffe der<br />

Zuverlässigkeits-<br />

<strong>und</strong><br />

Sicherheitstechnik<br />

(1)<br />

Begriff<br />

Ausfall<br />

(Failure)<br />

Fehler 1<br />

(Error)<br />

Fehler 2<br />

(Defect)<br />

Fehler 3<br />

(Fault)<br />

Fehler 4<br />

(Mistake)<br />

Gefahr<br />

Korrektheit<br />

Risiko<br />

Robustheit<br />

Definition<br />

Verlust der Fähigkeit eines Systems, bei Einhaltung spezifizierter<br />

Bedingungen die geforderte Funktion zu erfüllen. Das<br />

Ereignis “Ausfall” markiert den Zeitpunkt des Übergangs von<br />

der Korrektheit zu einem Fehler 2 .<br />

Abweichung zwischen einem berechneten Wert <strong>und</strong> dem<br />

wahren, spezifizierten oder theoretisch richtigen Wert<br />

aufgr<strong>und</strong> eines Fehlers 2 oder einer Störung 1 .<br />

Nichterfüllung der Anforderungsspezifikation, Unkorrektheit.<br />

Abweichung der tatsächlichen von der <strong>für</strong> die Erfüllung der<br />

Anforderungsspezifikation erforderlichen konstruktiven <strong>und</strong><br />

fertigungstechnischen Ausführung des Systems.<br />

Menschliche Handlung mit unerwünschtem Ergebnis;<br />

Irrtum oder Schnitzer.<br />

Sachlage, bei der das Risiko größer als das Grenzrisiko ist,<br />

wobei unter Grenzrisiko das grösste noch vertretbare Risiko<br />

verstanden wird.<br />

Erfüllung der Anforderungsspezifikation. Übereinstimmung<br />

zwischen realisierter <strong>und</strong> spezifizierter Funktion.<br />

Möglichkeit, Schaden zu erleiden. Risikozahl = Produkt aus<br />

Schadensumfang <strong>und</strong> Wahrscheinlichkeit des Schadenseintritts.<br />

Fähigkeit einer Betrachtungseinheit, auch bei Verletzung der<br />

spezifizierten Randbedingungen vereinbarte Funktionen zu<br />

erfüllen.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 358

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Übersicht<br />

wichtiger<br />

Begriffe der<br />

Zuverlässigkeits-<br />

<strong>und</strong><br />

Sicherheitstechnik<br />

(2)<br />

Begriff<br />

Schaden<br />

Schutz<br />

Sicherheit<br />

Störung 1<br />

(Interference)<br />

Störung 2<br />

(Deficiency)<br />

Validation<br />

Verlässlichkeit<br />

(dependability)<br />

Verfügbarkeit<br />

(Availability)<br />

Verifikation<br />

Versagen<br />

(Failure)<br />

Zuverlässigkeit<br />

(Reliability)<br />

Definition<br />

Nachteil durch Verletzung von Rechtsgütern aufgr<strong>und</strong><br />

eines bestimmten technischen Vorgangs oder Zustandes.<br />

Verringerung des Risikos durch Maßnahmen, die<br />

entweder die Eintrittshäufigkeit oder das Ausmaß des<br />

Schadens oder beide einschränken.<br />

Sachlage, bei der das Risiko kleiner als das Grenzrisiko ist<br />

(vorübergehende) Beeinträchtigung einer Funktion.<br />

Fehlende, fehlerhafte oder unvollständige Erfüllung einer<br />

geforderten Funktion. Etwa gleichbedeutend wie Fehler 1 .<br />

Nachweis, dass ein System seinen Erfordernissen genügt.<br />

Eigenschaft eines Systems, die es erlaubt, volles<br />

Vertrauen in die bereitgestellte Funktionalität zu setzen.<br />

Wahrscheinlichkeit, ein reparierbares System zu einem<br />

vorgegebenen Zeitpunkt in einem funktionsfähigen<br />

Zustand anzutreffen.<br />

Nachweis, dass eine Betrachtungseinheit die<br />

Anforderungsspezifikation vollständig erfüllt.<br />

Verhalten eines Systems, das nicht der<br />

Anforderungsspezifikation entspricht.<br />

Fähigkeit eines Systems, <strong>für</strong> eine gegebene Zeit korrekt<br />

zu arbeiten.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 359

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 5.1<br />

Weist eine Anlage, welche hinsichtlich hoher Sicherheit (Safety) ausgelegt<br />

wurde, automatisch eine hohe Zuverlässigkeit auf?<br />

Begründen Sie Ihre Antwort.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 360

AT II<br />

§ 5 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

5.3 Sicherheitstechnik<br />

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

5.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 361

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Betrachtungseinheiten im Rahmen der<br />

Zuverlässigkeitstechnik<br />

– Das gesamte <strong>Automatisierungs</strong>system<br />

– Ein Teilsystem, z. B. ein Computersystem<br />

– Eine Software-Komponente<br />

– Eine Baugruppe<br />

– Ein Bauelement<br />

Zustände einer Betrachtungseinheit<br />

– Funktionsfähig, d.h. entspricht der Anforderungsspezifikation<br />

– Nicht funktionsfähig<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 362

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Zeitlicher Verlauf der Zustände von nicht reparierbaren<br />

Betrachtungseinheiten<br />

funktionsfähig<br />

Betrachtungseinheit 1<br />

nicht<br />

funktionsfähig<br />

T1<br />

t<br />

Betrachtungseinheit 2<br />

funktionsfähig<br />

nicht<br />

funktionsfähig<br />

T2<br />

t<br />

funktionsfähig<br />

Betrachtungseinheit 3<br />

nicht<br />

funktionsfähig<br />

T3<br />

t<br />

– Mittlere Lebensdauer MTTF (Mean Time To Failure): Mittelwert sämtlicher<br />

Betriebszeiten T<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 363

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Zuverlässigkeitsfunktion (Überlebenswahrscheinlichkeit)<br />

– R(t) = W (T > t):<br />

<br />

<br />

Wahrscheinlichkeit <strong>für</strong> Betriebszeiten T, die länger sind als ein<br />

vorgegebener Zeitraum t<br />

Wahrscheinlichkeit, dass eine Betrachtungseinheit in einem<br />

Zeitraum (0...t) funktionsfähig ist<br />

Versagenswahrscheinlichkeit<br />

– Q(t) = W (T t) = 1 - R(t)<br />

<br />

Wahrscheinlichkeit <strong>für</strong> Betriebszeiten T, die nicht länger sind<br />

als der vorgegebene Zeitraum t<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 364

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Versagensrate (Ausfallrate)<br />

l<br />

( ) { ( )}<br />

t<br />

<br />

d<br />

dt<br />

1<br />

R t<br />

ln<br />

( )<br />

*<br />

R<br />

t<br />

dR<br />

dt<br />

( )<br />

t<br />

R<br />

( )<br />

t<br />

<br />

e<br />

t<br />

l<br />

0<br />

( t)<br />

dt<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 365

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

MTTF <strong>und</strong> R(t) bei konstanter Versagensrate<br />

l <br />

1<br />

MTTF<br />

mittlere Versagensrate<br />

R<br />

( )<br />

t<br />

<br />

e<br />

l<br />

t<br />

1<br />

R(t)<br />

0<br />

t<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 366

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Badewannenkurve zur Beschreibung des zeitlichen<br />

Verlaufs der Versagensrate<br />

l (t)<br />

l<br />

= const<br />

Gebrauchsphase<br />

Frühphase<br />

Spätphase<br />

t<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 367

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Beispiel: Ausfallrate, MTTF <strong>und</strong> Zuverlässigkeitsfunktion<br />

Die Ausfallrate eines Bauelements sei gegeben:<br />

l 0 = 10 -6 h -1<br />

Aufgr<strong>und</strong> konstanter Ausfallrate ergibt sich eine mittlere Lebensdauer von:<br />

1<br />

MTTF 1.000. 000h<br />

l<br />

Die Zuverlässigkeitsfunktion ergibt sich zu:<br />

t<br />

<br />

R(<br />

t)<br />

e 1.000. 000h<br />

0<br />

Für eine Betriebszeit von t = 100.000h ergibt sich eine<br />

Überlebenswahrscheinlichkeit von:<br />

R(100.000<br />

h)<br />

<br />

e<br />

100.000h<br />

<br />

1.000.000h<br />

<br />

e<br />

0.1<br />

<br />

0,905<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 368

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Zeitverlauf der Zustände einer reparierbaren<br />

Betrachtungseinheit<br />

Time-Between-Failure1 and Failure 2<br />

Time-Between-Failure2<br />

and Failure3<br />

Time-To-Failure1<br />

(Betriebszeit 1)<br />

Time-To-Failure2<br />

(Betriebszeit 2)<br />

Time-To-Failure3<br />

(Betriebszeit 3)<br />

funktionsfähig<br />

nicht<br />

funktionsfähig<br />

Time-To-Repair1<br />

(Reparaturzeit 1)<br />

Time-To-Repair2<br />

(Reparaturzeit 2)<br />

Time-To-Repair3<br />

(Reparaturzeit 3)<br />

Versagen 1 Versagen 2 Versagen 3<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 369

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Mittlere Betriebszeit (Mean Time To Failure MTTF) bei<br />

reparierbaren Betrachtungseinheiten<br />

MTTF<br />

<br />

lim<br />

n<br />

1<br />

n<br />

n<br />

<br />

i1<br />

Betriebszeit<br />

i<br />

Mittlere Reparaturzeit (Mean Time To Repair MTTR)<br />

MTTR<br />

<br />

lim<br />

n<br />

1<br />

n<br />

n<br />

<br />

i1<br />

Reparaturzeit<br />

i<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 370

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Mittlere Verfügbarkeit (Dauerverfügbarkeit) bei<br />

reparierbaren Betrachtungseinheiten<br />

Verfügbark<br />

eit<br />

V<br />

n<br />

<br />

i<br />

1<br />

Betriebsze it<br />

Gesamtzeit<br />

i<br />

V<br />

<br />

1<br />

n<br />

n<br />

<br />

1<br />

n<br />

i1 i1<br />

n<br />

<br />

i1<br />

Betriebsze it<br />

Betriebsze it i<br />

1<br />

i <br />

n<br />

n<br />

<br />

Reparaturzeit<br />

i<br />

<br />

MTTF<br />

MTTF MTTR<br />

<br />

1<br />

1<br />

MTTR<br />

MTTF<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 371

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Hohe Verfügbarkeit<br />

– Durch große mittlere Betriebszeit MTTF, d.h. hohe Verfügbarkeit durch<br />

hohe Zuverlässigkeit<br />

<br />

<br />

V 1<br />

1<br />

Hoch zuverlässige Komponenten<br />

Red<strong>und</strong>ante Strukturen<br />

<br />

MTTR <br />

MTTF<br />

– Durch eine kleine mittlere Reparaturzeit MTTR, d.h. hohe Verfügbarkeit<br />

durch kurze Reparaturzeiten<br />

<br />

<br />

Kurze Fehlerdiagnosezeit durch Selbstdiagnose-Software<br />

Modulare Struktur zum einfachen Austausch von Komponenten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 372

...<br />

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Zuverlässigkeitsmodellierung von Hardwaresystemen mit<br />

Zuverlässigkeits-Blockdiagrammen<br />

Serienanordnung, falls alle Komponenten<br />

Ai <strong>für</strong> die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems<br />

erforderlich sind<br />

Parallel-Anordnung, falls von n<br />

red<strong>und</strong>anten Komponenten nur<br />

eine funktionsfähig zu sein braucht<br />

A1 A2 ... An<br />

R1 R2 R3<br />

A1<br />

A2<br />

Q1<br />

Q2<br />

R Ges<br />

(t) =<br />

p n<br />

i = 1<br />

R i<br />

(t)<br />

Q Ges<br />

(t) =<br />

An<br />

p n<br />

i = 1<br />

Qn<br />

Q i<br />

(t)<br />

p n<br />

R Ges<br />

(t) = 1 - [ 1 - R i<br />

(t) ]<br />

i = 1<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 373

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Unterschiede zwischen Hardware- <strong>und</strong> Software-<br />

Betrachtungseinheiten<br />

– Hardware-Betrachtungseinheiten<br />

<br />

<br />

<br />

Zu Beginn der Betriebszeit fehlerfrei<br />

Ausfall zu einem nicht vorhersehbaren Zeitpunkt<br />

Ausfall führt sofort zu einem Versagen<br />

– Software-Betrachtungseinheit<br />

<br />

<br />

<br />

Zu Beginn der Betriebszeit nicht fehlerfrei<br />

Keine Ausfallmechanismen während des Betriebes<br />

Fehler führt zu einem Versagen in Abhängigkeit von einer bestimmten<br />

Anforderungskonstellation<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 374

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Zuverlässigkeitsfunktion <strong>für</strong> eine Software-<br />

Betrachtungseinheit<br />

Anstelle zufälliger<br />

Ausfall-Mechanismen<br />

(Hardware) treten bei<br />

Software zufällige<br />

Beanspruchungen<br />

durch Anforderungskonstellationen<br />

auf.<br />

Eingeführte<br />

Definitionen<br />

verwendbar<br />

Zustände der Software-Betrachtungseinheit<br />

funktionsfähig<br />

nicht<br />

funktionsfähig<br />

funktionsfähig<br />

nicht<br />

funktionsfähig<br />

funktionsfähig<br />

Anforderungskonstellation1<br />

Anforderungskonstellation 2<br />

T<br />

Anforderungskonstellation 3<br />

T<br />

t<br />

t<br />

nicht<br />

funktionsfähig<br />

T<br />

t<br />

1<br />

R(t)<br />

0<br />

t<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 375

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Shooman-Modell zur experimentellen Ermittlung von<br />

Zuverlässigkeits-Kenngrößen bei Software (1)<br />

– Annahmen<br />

<br />

<br />

<br />

Fehler eines Programms proportional zum Umfang des Programms<br />

Zahl der Fehler verringert sich durch Fehlerkorrekturen<br />

Fehlerrate proportional zu der Zahl der Programmfehler<br />

E r<br />

I<br />

E<br />

E c<br />

t<br />

t<br />

Zahl der im Programm vorhandenen Software-Fehler<br />

Gesamtanzahl der im Programm enthaltenen Anweisungen<br />

Zahl der zu Beginn der Testzeit vorhandenen Fehler<br />

= (E - E r ) Zahl der beim Test korrigierten Fehler<br />

Betriebszeit<br />

Testzeit<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 376

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Shooman-Modell (2)<br />

( t )<br />

r<br />

c<br />

<br />

( t ) <br />

( t )<br />

r<br />

E r<br />

E c<br />

I<br />

( t )<br />

I<br />

( t )<br />

Normierte Zahl der im Programm<br />

enthaltenen Fehler nach der Testzeit<br />

Normierte Zahl der beim Test<br />

korrigierten Fehler<br />

Er<br />

( t ) E Ec<br />

( t )<br />

<br />

)<br />

I I<br />

E<br />

<br />

r<br />

( t ) <br />

c<br />

( t<br />

I<br />

R(<br />

t)<br />

<br />

e<br />

c[<br />

E<br />

I<br />

<br />

( t )] t<br />

c<br />

Resultierende Zuverlässigkeitsfunktion<br />

(<strong>für</strong> c (t) = konstant)<br />

MTTF<br />

<br />

<br />

c<br />

<br />

E<br />

I<br />

<br />

1<br />

c<br />

<br />

( t )<br />

<br />

Mittlere Zeit bis zu einem Fehler in der<br />

Verarbeitung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 377

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Shooman-Modell (3)<br />

– Abschätzung von E, c <strong>und</strong> c (t) aus Testdaten<br />

Fehlerzahlen X1 <strong>und</strong> X2 in Zeitintervall t1 <strong>und</strong> t2 mit t1 < t2<br />

Fehlerfreie Betriebszeiten in den Testzeiten H1 <strong>und</strong> H2<br />

– Fehlerraten<br />

l<br />

<br />

X<br />

1<br />

s1 ;<br />

H1<br />

l<br />

s2<br />

<br />

X<br />

H<br />

2<br />

2<br />

X1<br />

<br />

c<br />

( t1 ) ; <br />

c<br />

( t<br />

2)<br />

<br />

I<br />

E <br />

I[(<br />

l<br />

s2<br />

( l<br />

/ l ) 1<br />

X<br />

/ l ) <br />

( t ) ( t )]<br />

s1<br />

s2<br />

c<br />

s1<br />

1<br />

I<br />

c<br />

2<br />

2<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 378

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Mill-Modell<br />

– Fehlersaatverfahren<br />

künstlicher Einbau zusätzlicher Fehler<br />

X<br />

Y<br />

U<br />

V<br />

Echte Fehler<br />

Eingebaute Fehler<br />

Erkannte echte Fehler<br />

Erkannte eingebaute Fehler<br />

Annahme:<br />

X <br />

Y<br />

U<br />

V<br />

<br />

X <br />

U<br />

V<br />

Y<br />

– Voraussetzung<br />

<br />

<br />

Wahrscheinlichkeit der Fehlerkennung <strong>für</strong> alle Fehler gleich groß<br />

Zahl der eingebauten Fehler wesentlich größer als die Zahl der echten<br />

Fehler<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 379

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Zuverlässigkeitsmodell <strong>für</strong> ein Hardware-Software-Gesamtsystem<br />

Ursache: physikalische oder<br />

chemische Ausfall-Mechanismen<br />

Ursache: menschliche<br />

„Fehlermechanismen“<br />

physikalische Fehler<br />

inhärente Fehler<br />

nicht-inhärente Fehler<br />

Ausfallwahrscheinlichkeit<br />

Q(t)<br />

Wahrscheinlichkeit<br />

<strong>für</strong> Beanspruchung<br />

durch<br />

Anforderungskonstellation<br />

Wahrscheinlichkeit<br />

<strong>für</strong><br />

inhärente<br />

Fehler<br />

Wahrscheinlichkeit<br />

<strong>für</strong> nicht<br />

inhärente<br />

Fehler<br />

Fehlerhaftes Hardware-Software-Gesamtsystem<br />

(<strong>Automatisierungs</strong>system)<br />

Versagen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 380

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 5.2<br />

Die Ausfallrate eines Bauelements sei gegeben: l 0 = 10 -4 h -1<br />

Berechnen Sie die mittlere Zeit bis zum Ausfall eines Systems, das aus zwei<br />

solcher Bauelemente besteht <strong>und</strong> das beide Bauelemente in funktionsfähigem<br />

Zustand benötigt.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 381

AT II<br />

§ 5 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

5.3 Sicherheitstechnik<br />

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

5.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 382

5.3 Sicherheitstechnik<br />

AT II<br />

Ereignisfolge bis zum Auftreten eines Schadens<br />

nicht-sicherheitsbezogener<br />

Ausfall<br />

kein Unfall<br />

nicht<br />

sicherheitsbezogener<br />

Fehlzustand<br />

Fehlerfreier<br />

Zustand<br />

sicherheitsbezogener<br />

(gefährlicher)<br />

Fehlzustand<br />

sicherheitsbezogener<br />

Ausfall<br />

Unfall<br />

kein<br />

Schaden<br />

eingetreten<br />

Schaden<br />

eingetreten<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 383

5.3 Sicherheitstechnik<br />

AT II<br />

Begriff: Sicherer Zustand<br />

Sicherer Zustand<br />

Zustand, in dem trotz gewisser, zugelassener Ausfälle des<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systems oder des technischen Prozesses keine Gefahr<br />

mehr auftreten kann.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 384

5.3 Sicherheitstechnik<br />

AT II<br />

Quantitative Sicherheitskenngrößen<br />

– Sicherheitsbezogene Ausfallwahrscheinlichkeit bei konstanter<br />

sicherheitsbezogener Ausfallrate<br />

G(t) = 1 – e λ’t<br />

– Sicherheitsbezogene Überlebenswahrscheinlichkeit<br />

S(t) = e λ’t<br />

– Mean Time To Dangerous Failure<br />

MTDF<br />

<br />

1<br />

l'<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 385

5.3 Sicherheitstechnik<br />

AT II<br />

Qualitative Sicherheitskenngrößen<br />

DIN V 19250, DIN V 19251, DIN V VDE 0801<br />

Ermittlung der Anforderungsklassen anhand von Risikoparametern<br />

– Schadensausmaß<br />

– Häufigkeit des Aufenthalts von Personen im Gefahrenbereich<br />

(Aufenthaltsdauer)<br />

– Möglichkeit, die Gefahr abzuwehren<br />

– Eintrittswahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ereignisses<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 386

5.3 Sicherheitstechnik<br />

AT II<br />

Risikoparameter <strong>und</strong> ihre Werte nach DIN V 19250<br />

Risikoparameter Werte Bedeutung<br />

Schadensausmaß S1 leichte Verletzung einer Person, kleine Umweltschäden<br />

S2<br />

S3<br />

S4<br />

schwere Verletzung einer oder mehrerer Personen oder Tod<br />

eines Menschen, vorübergehende größere schädliche<br />

Umwelteinflüsse<br />

Tod mehrerer Personen, langandauernde große schädliche<br />

Umwelteinflüsse<br />

katastrophale Auswirkungen, sehr viele Tote<br />

Aufenthaltsdauer A1 selten bis öfter<br />

A2<br />

häufig bis dauernd<br />

Gefahrenabwehr G1 möglich unter bestimmten Bedingungen<br />

G2<br />

kaum möglich<br />

Eintrittswahrscheinlichkeit W1 sehr gering<br />

W2<br />

W3<br />

klein<br />

relativ hoch<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 387

5.3 Sicherheitstechnik<br />

AT II<br />

Vorgehensweise zur Ermittlung der Anforderungsklasse<br />

eines möglichen Unfalls<br />

– Festlegung der Werte der vier Risikoparameter<br />

– Ermittlung der Anforderungsklasse aus Risikograph<br />

Schadensausmaß<br />

Aufenthaltsdauer<br />

S1<br />

S2<br />

S3<br />

S4<br />

Gefahrenabwehr<br />

A1<br />

A2<br />

A1<br />

A2<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 388<br />

G1<br />

G2<br />

G1<br />

G2<br />

Anforderungsklasse<br />

W3 W2 W1<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

8<br />

Eintritts-<br />

Wahrscheinlichkeit<br />

-<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6<br />

7<br />

-<br />

-<br />

1<br />

2<br />

3<br />

4<br />

5<br />

6

5.3 Sicherheitstechnik<br />

AT II<br />

Beispiele zur Ermittlung von Anforderungsklassen<br />

Einfache Garagen<br />

– Leichte Verletzungen von Personen (S1)<br />

– Hohe Eintrittswahrscheinlichkeit ( W3)<br />

Anforderungsklasse 1<br />

Große <strong>und</strong> schwere Tore mit einem Antriebsmotor hoher Leistung<br />

– Tödliche Verletzungen von Personen (S2)<br />

– Kurze <strong>und</strong> zeitlich begrenzte Aufenthaltsdauer ( A1)<br />

– Gefahrenabwendung möglich ( z.B. Lichtschranken) ( G1)<br />

– Hohe Eintrittswahrscheinlichkeit (W3)<br />

Anforderungsklasse 2<br />

Anforderungsklasse von ABS-Bremssystemen in Kraftfahrzeugen<br />

– Tod mehrerer Personen (S3)<br />

– Aufenthaltsdauer im Gefahrenbereich öfter (A1)<br />

oder häufig ( A2)<br />

– Hohe Eintrittswahrscheinlichkeit (W3)<br />

Anforderungsklasse 6 oder 7<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 389

5.3 Sicherheitstechnik<br />

AT II<br />

Sicherheitsstufen (Safety Integrity Level SIL)<br />

nach DIN EN 61508-1<br />

Safety<br />

Integrity<br />

Level<br />

(Sicherheitsniveau)<br />

Wahrscheinlichkeit<br />

eines gefährlichen<br />

Fehlers pro Jahr bei<br />

häufiger oder<br />

kontinuierlicher<br />

Beanspruchung<br />

Ungefähre<br />

Anforderungsklasse<br />

nach<br />

DIN V 19250<br />

1 10 -2 bis 10 -1 1 - 3<br />

2 10 -3 bis 10 -2 3 - 4<br />

3 10 -4 bis 10 -3 5 - 6<br />

4 10 -5 bis 10 -4 7 - 8<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 390

5.3 Sicherheitstechnik<br />

AT II<br />

Sicherheitsanalyse<br />

Beschreibung der technischen Anlagen, der<br />

ablaufenden technischen Prozesse <strong>und</strong> der<br />

<strong>Automatisierungs</strong>einrichtungen<br />

Beschreibung der Anlagenumgebung <strong>und</strong> der<br />

Einflüsse auf den technischen Prozess<br />

Gefahrenanalyse<br />

Identifikation von<br />

Gefährdungen<br />

a) Untersuchung des<br />

bestimmungsgemäßen<br />

(normalen) Betriebs<br />

b) Untersuchung des nichtbestimmungsgemäßen<br />

(gestörten) Betriebs<br />

Risikoanalyse<br />

Bewertung der<br />

Auswirkungen von<br />

Gefährdungen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 391

5.3 Sicherheitstechnik<br />

AT II<br />

Sicherheitsvorschriften<br />

Gesetze, Verordnungen, Vorschriften<br />

– Bezug auf technische Standards<br />

<br />

<br />

DIN-Normen / EU<br />

VDI bzw. VDE-Regeln<br />

– Haftungsarten<br />

<br />

<br />

Gefährdungshaftung<br />

Haftung wegen der gr<strong>und</strong>sätzlich möglichen Gefahren beim Betrieb<br />

eines technischen Systems<br />

Ausnahme höhere Gewalt<br />

Verschuldenshaftung<br />

Strafrechtliche Haftung falls anerkannte Regeln der Technik nicht<br />

beachtet wurden<br />

Anwendbar auf Ingenieure des Herstellers, des Betreibers <strong>und</strong> der<br />

Prüf-<strong>und</strong> Aufsichtsbehörden<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 392

5.3 Sicherheitstechnik<br />

AT II<br />

Sicherheitsnachweis<br />

– Dokument, in dem in prüffähiger Form gezeigt wird, dass die<br />

vorgegebenen sicherheitstechnischen Anforderungen eingehalten werden<br />

– Nachweis, dass beim Betrieb von <strong>Automatisierungs</strong>systemen weder durch<br />

Hardwareausfall noch durch Software-Fehler Gefahren <strong>für</strong> Menschen oder<br />

die Umwelt entstehen können<br />

– Nachweis bei technischen Prozessen mit sicherem Zustand, dass sicherer<br />

Zustand bei allen geforderten Bedingungen erreicht wird<br />

– Nachweis bei technischen Prozessen ohne sicherem Zustand, dass die<br />

Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Fehlers unter dem vorgegebenen<br />

Grenzwert <strong>für</strong> die jeweilige Anforderungsklasse liegt<br />

– Überprüfung von Genehmigungsbehörde<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 393

5.3 Sicherheitstechnik<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 5.3<br />

Welcher der folgenden Zustände einer Ampelanlage an einer Straßenkreuzung,<br />

an welcher die Vorfahrt zusätzlich durch entsprechende<br />

Beschilderung geregelt ist, kann als "sicher" bezeichnet werden.<br />

<br />

<br />

<br />

Alle Ampeln auf grün<br />

Alle Ampeln auf rot<br />

Alle Ampeln ausgeschaltet<br />

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AT II<br />

§ 5 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

5.3 Sicherheitstechnik<br />

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

5.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 395

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsstrategien<br />

Perfektionsstrategie<br />

(Intoleranzstrategie)<br />

Non-Perfektionsstrategie<br />

(Toleranzstrategie)<br />

Strategie des Ausschlusses von<br />

Ausfällen bzw. Fehler durch<br />

• Ausfall- <strong>und</strong> Fehlerabwehr<br />

• Fehleroffenbarung vor<br />

der Inbetriebnahme<br />

Strategie der Verhinderung der<br />

gefährlichen Auswirkung von<br />

Ausfällen <strong>und</strong> Fehlern durch<br />

Red<strong>und</strong>anzmaßnahmen<br />

Zeitpunkt der<br />

Inbetriebnahme<br />

t<br />

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5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Perfektionsstrategie vs. Non-Perfektionsstrategie<br />

Gr<strong>und</strong>satz:<br />

Weitgehender Ausschluss von Fehlern bis zum<br />

Inbetriebnahmezeitpunkt<br />

Non-Perfektionsstrategie nur ergänzend zur Perfektionsstrategie<br />

Gründe:<br />

– Menschliche Bedienhandlungen im Störungs- bzw. Fehlerfall sind kritisch<br />

– Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Mehrfachfehlern, die auch <strong>für</strong> die<br />

Toleranzstrategien kritisch sind<br />

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5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Zuverlässigkeitsmaßnahmen gegen physikalische Fehler:<br />

Maßnahmen nach der Perfektionsstrategie<br />

– Maßnahmen gegen Ausfälle aufgr<strong>und</strong> von Ausfallmechanismen<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Überdimensionierung von Bauelementen<br />

Schutz gegen Wärmeeinflüsse<br />

Verwendung hochwertiger Steckkontakte<br />

Minimierung der Steckverbindungen<br />

Verwendung mechanischer Konstruktionen hoher Steifigkeit<br />

Verwendung von hochwertigen vorgealterten Bauelementen<br />

– Maßnahmen gegen Ausfälle aufgr<strong>und</strong> von Störbeeinflussung<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Verdrillung bzw. Abschirmung,<br />

Potentialtrennung,<br />

Räumliche Trennung von Energie- <strong>und</strong> Signalleitungen,<br />

Verwendung von Lichtwellenleitern<br />

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5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Zuverlässigkeitsmaßnahmen gegen physikalische Fehler:<br />

Maßnahmen nach der Non-Perfektionsstrategie<br />

– Red<strong>und</strong>anz-Maßnahmen<br />

<br />

<br />

<br />

Bauelemente-Red<strong>und</strong>anz<br />

Baugruppen-Red<strong>und</strong>anz<br />

Geräte-Red<strong>und</strong>anz<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 399

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Sicherheitsmaßnahmen bei Gerätesystemen:<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systeme mit sicherem Zustand<br />

Maßnahme nach der Perfektionsstrategie<br />

– Ausfallausschluss<br />

<br />

Ausnutzung physikalischer Eigenschaften<br />

Maßnahme nach der Non-Perfektionsstrategie<br />

– Ziel: Bei Ausfällen in den sicheren Zustand überführen<br />

– Verfahren<br />

<br />

<br />

<br />

Ruhestromverfahren (energieloser Signalzustand wird sicherem Gerätezustand<br />

zugeordnet)<br />

Verwendung von Wechselspannungs-Signalen zur Darstellung der logischen<br />

Werte<br />

Gleichrichtung dynamischer Signale <strong>und</strong> die Verwendung als Stromversorgung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 400

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Sicherheitsmaßnahmen bei Gerätesystemen:<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systeme ohne sicheren Zustand<br />

Gr<strong>und</strong>satz: Funktion des <strong>Automatisierungs</strong>systems muss aufrecht<br />

erhalten werden<br />

– Mehrfache Ausführung der Nutzfunktion<br />

– Hohe Zuverlässigkeit<br />

– Regelmäßige Prüfung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 401

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Entkopplung der <strong>Automatisierungs</strong>einrichtungen der inneren<br />

<strong>und</strong> äußeren Schale<br />

– Flexibilität im<br />

automatisierten<br />

Normalbetrieb<br />

– Leichte Überprüfbarkeit<br />

des sicherheitsbezogenen<br />

Teils der<br />

<strong>Automatisierungs</strong>einrichtungen<br />

– Reduzierung der<br />

Komplexität des<br />

gesamten Prozessautomatisierungssystems<br />

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5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Maßnahmen gegen Software-Fehler<br />

– Maßnahmen, um die Entstehung von Softwarefehlern zu verhindern<br />

<br />

Verbesserung des Softwareentwicklungsprozesses<br />

– Maßnahmen, um vor der Inbetriebnahme inhärente Softwarefehler<br />

aufzudecken<br />

<br />

Tests, Reviews<br />

Sicherheitsbezogenes Vorgehensmodell nach IEC 61508<br />

Graphische Softwareentwicklung mit Funktionsblöcken nach IEC 1131<br />

<br />

Formale Spezifikation <strong>und</strong> Verifikation<br />

– Maßnahmen, um die gefährlichen Auswirkungen von Softwarefehlern<br />

während des Betriebs zu verhindern<br />

<br />

Realisierung von Diversität<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 403

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Grafische Softwareentwicklung in Form von<br />

Funktionsblöcken nach IEC 1131<br />

Schritt 1:<br />

Aufbau einer Funktionsblock-Bibliothek <strong>und</strong> Nachweis der<br />

Korrektheit mit formalen Methoden<br />

Schritt 2:<br />

Anwendungsspezifische Verknüpfung der Funktionsblöcke<br />

<strong>und</strong> Nachweis der korrekten Zusammenschaltung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 404

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Formale Spezifikation <strong>und</strong> Verifikation<br />

– Formale Spezifikation<br />

<br />

<br />

Operationelle Spezifikation<br />

<br />

Vor- <strong>und</strong> Nachbedingungen zur Beschreibung der Beziehung zwischen<br />

Ein- <strong>und</strong> Ausgabedaten<br />

Spezifikation mit abstrakten Datentypen<br />

– Formale Verifikation<br />

<br />

Nachweis mit Hilfe von Beweissystemen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 405

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Realisierung von Software-Diversität<br />

Einsatz unterschiedlicher Verfahren zur Realisierung von Red<strong>und</strong>anz<br />

– Unterschiedliche Algorithmen<br />

– Unterschiedliche Sprachen<br />

– Unterschiedliche <strong>Automatisierungs</strong>geräte<br />

– Unterschiedliche Teams<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 406

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Struktur eines diversitären Programmsystems als Maßnahme<br />

zum Fehlerauswirkungs-Ausschluss (Live-Mitschrieb)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 407

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Probleme bei Software-Diversität<br />

– Diversitäre Programme verursachen hohe Kosten (insbesondere bei<br />

Wartung <strong>und</strong> Pflege)<br />

– Bei Änderungen muss Diversität gewährleistet bleiben<br />

– Nachweis der Diversität problematisch<br />

– Zeitliche Koordinierung diversitärer Programme ist aufwendig <strong>und</strong><br />

schwierig<br />

– Denkmuster von Menschen sind gleichartig<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 408

Verfahren gegen nichtinhärente<br />

Fehler<br />

Verfahren gegen<br />

inhärente Fehler<br />

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Beispiele <strong>für</strong> Zuverlässigkeitsmaßnahmen (1)<br />

Maßnahmen<br />

gegen:<br />

Spezifikationsfehler<br />

im Pflichtenheft<br />

Software-<br />

Entwurfsfehler<br />

Codierfehler<br />

Hardware-<br />

Entwurfsfehler<br />

Schaltungs- <strong>und</strong><br />

Verdrahtungsfehler<br />

Wartungsfehler<br />

Dokumentationsfehler<br />

Vandalismus,<br />

Sabotage<br />

Beispiele <strong>für</strong> Maßnahmen nach der<br />

Intoleranz - Strategie<br />

Toleranz - Strategie<br />

Hohe Qualität des Entwicklungsprozesses<br />

z. B. nach ISO 9000<br />

oder nach dem Capability<br />

Maturity Model (CMM), Formale<br />

Spezifikation<br />

Höhere Programmiersprachen<br />

Vorgabe von Richtlinien,<br />

Anwendung von Spezifikationssprachen<br />

<strong>und</strong> rechnergestützten<br />

Entwurfssystemen<br />

Automatische Fertigungs- <strong>und</strong><br />

Verdrahtungseinrichtung<br />

Richtlinien,Schulung<br />

Richtlinien, Anwendung von<br />

Spezifikationssprachen <strong>und</strong><br />

rechnergestützten Entwurfssystemen,<br />

Durchsicht durch<br />

unabhängige Bearbeiter<br />

Schlüsselschalter,<br />

Verriegelungen<br />

Überwachungsprogramme <strong>für</strong><br />

Programmablauf, fehlertolerante Software<br />

(Diversitäre Programme)<br />

Selbst-Diagnose-Programm<br />

Codesicherungsverfahren<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 409

Verfahren gegen<br />

physikalische Fehler<br />

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Beispiele <strong>für</strong> Zuverlässigkeitsmaßnahmen (2)<br />

Maßnahmen<br />

gegen:<br />

Ausfälle aufgr<strong>und</strong><br />

physikalischer oder<br />

chemischer Ausfallmechanismen<br />

Ausfälle aufgr<strong>und</strong><br />

von Störbeeinflussung<br />

Beispiele <strong>für</strong> Maßnahmen nach der<br />

Intoleranz - Strategie<br />

Toleranz - Strategie<br />

Überdimensionierung, Unterbelastung,<br />

konstruktive<br />

Gestaltung, Qualitätskontrollen<br />

bei der Fertigung<br />

Hoher Nutz- zu Störsignal-<br />

Abstand, Abschirmung,<br />

Potentialtrennung,<br />

integrierender ADU, Netzfilter<br />

Red<strong>und</strong>ante Bauelemente, Code-<br />

Red<strong>und</strong>anz, red<strong>und</strong>ante Sensoren,<br />

Doppelrechnersysteme, Test- <strong>und</strong><br />

Diagnosegeräte <strong>und</strong> Programme<br />

Mehrfach-Eingabe von Prozessdaten in<br />

zeitlichem Abstand<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 410

Sicherheitsverfahren gegen<br />

Fehler<br />

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Beispiele <strong>für</strong> Sicherheitsmaßnahmen (1)<br />

Maßnahmen<br />

gegen:<br />

Spezifikationsfehler<br />

beim<br />

"Requirements<br />

Engineering"<br />

Software-<br />

Entwurfsfehler<br />

Programmierfehler<br />

Hardware-<br />

Entwurfsfehler<br />

Dokumentationsfehler<br />

Beispiele <strong>für</strong> Maßnahmen nach der<br />

Intoleranz - Strategie<br />

Richtlinien <strong>und</strong> Vorschriften,<br />

Durchsicht durch unabhängigen<br />

Bearbeiter <strong>und</strong> techn. Aufsichtsbehörden,<br />

Anwendung von<br />

Spezifikationssprachen <strong>und</strong> rechnerunterst.<br />

Produktionsumgebung<br />

Sicherheitsbezogenes Vorgehensmodell<br />

nach IEC 61508. Formale<br />

Spezifikationsverfahren, graph.<br />

Software-Entwicklung mit Funktionsblöcken,<br />

Anwendung von Software-<br />

Werkzeugen <strong>für</strong> den rechnerunterstützten<br />

Entwurf<br />

Höhere Programmiersprachen,<br />

automatische Codegenerierung <strong>und</strong><br />

Spezifikationen, Anwendung von<br />

Testprogrammen, systematische<br />

<strong>und</strong> stochastische Beweisverfahren<br />

zur Programmverifikation<br />

Entwurfs-Nachprüfung, Funktionsprüfung,<br />

rechnerunterst. Entwurf<br />

Automatische Erstellung der<br />

Dokumentation mit Hilfe von<br />

Dokumentationstools<br />

Toleranz - Strategie<br />

Verschiedenartige<br />

Anforderungsspezifikationen<br />

Gerätetechnische Schutzeinrichtungen,<br />

diversitäre Softwarekanäle<br />

Diversitäre Programmiersprachen <strong>und</strong><br />

Compiler, diversitäre Betriebssysteme<br />

Hardware-Diversität (Geräte unterschiedlicher<br />

Bauart oder Wirkungsweise)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 411

Sicherheitsverfahren<br />

gegen Ausfälle<br />

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Beispiele <strong>für</strong> Sicherheitsmaßnahmen (2)<br />

Maßnahmen<br />

gegen:<br />

Ausfälle, falls es<br />

einen sicheren<br />

Zustand gibt<br />

Beispiele <strong>für</strong> Maßnahmen nach der<br />

Intoleranz - Strategie<br />

Toleranz - Strategie<br />

Ausfallausschluss<br />

Ausfall-Folgenausschluss, z.B. durch<br />

sicheren Vergleich paralleler<br />

Nutzfunktionen<br />

Ausfälle bei<br />

Sytemen ohne<br />

sicheren Zustand<br />

Ausfallausschluss<br />

Begrenzung der Ausfall-Folgen-<br />

Wahrscheinlichkeit durch Prüffunktionen<br />

oder mehrfache Nutzfunktionen mit<br />

Mehrheitsentscheid<br />

Video: Automatisierter Autoschutz<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 412

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 5.4<br />

Welchen Aussagen stimmen Sie zu?<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Ziel der Perfektionsstrategie ist der Ausschluss von Ausfällen bzw.<br />

Fehlern vor der Inbetriebnahme<br />

Ziel der Non-Perfektionsstrategie ist die Verhinderung gefährlicher<br />

Auswirkungen von Ausfällen <strong>und</strong> Fehlern<br />

Die Perfektionsstrategie stellt immer nur eine Ergänzung zur<br />

Non-Perfektionsstrategie dar<br />

Überführung in den sicheren Zustand ist eine Maßnahme nach der<br />

Perfektionsstrategie<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 413

AT II<br />

§ 5 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

5.3 Sicherheitstechnik<br />

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

5.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 414

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

Methoden zur Sicherheitsanalyse<br />

– Induktive Verfahren (vorwärtsgerichtete Verfolgung von Ereignissen, die zu<br />

Unfällen führen können)<br />

• PAAG (HAZOP)-Verfahren<br />

• FMEA Fehlermöglichkeits- <strong>und</strong> -einflussanalyse (FMEA)<br />

• Ereignisablaufanalyse (Event Tree Analysis)<br />

• SQMA (Situationsbasierte qualitative Modellierung <strong>und</strong> Analyse)<br />

– Deduktive Verfahren (rückwärtsgerichtete Herleitung von möglichen<br />

Ausfällen oder Fehlerquellen, die zu Unfällen führen)<br />

• Fehlerbaum-Analyse<br />

• PSA-Verfahren (Probability Safety Assessment)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 415

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

PAAG-Verfahren<br />

Prognose eines Ereignisses, das auftreten könnte<br />

Auffinden der Ursachen<br />

Abschätzen der Auswirkungen<br />

Gegenmaßnahmen<br />

Englisch: H A Z O P (Hazard Operability Study)<br />

Vorgehensweise<br />

– Anwendung von Leitworten auf einzelne Prozessgrößen<br />

Leitworte: NEIN TEILWEISE<br />

KEIN<br />

ANDERS ALS<br />

MEHR<br />

UMKEHRUNG<br />

WENIGER<br />

SOWOHL ALS AUCH<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 416

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

PAAG-Verfahren - Beispiel aus der Kraftfahrzeugindustrie<br />

System:<br />

Funktionsteil:<br />

Unterfunktion:<br />

Sollfunktion:<br />

Pkw-Motor<br />

Motorkühlung<br />

Kühlmittelkühlung<br />

Überhitztes Kühlmittel abkühlen<br />

Leitwort Ursachen Auswirkungen<br />

WENIGER<br />

kühlen<br />

Kühler<br />

verstopft,<br />

Kühlerventilator<br />

defekt,<br />

Umgebungstemperatur<br />

zu hoch,<br />

...<br />

Kühlmitteltemperatur<br />

steigt,<br />

...<br />

Maßnahmen<br />

Warnleuchte<br />

bei<br />

Überschreitung<br />

eines<br />

bestimmten<br />

Grenzwerts<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 417

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

FMEA Fehlermöglichkeits- <strong>und</strong> –einflussanalyse<br />

(Failure Mode Effect Analysis)<br />

Standardisiertes Verfahren zur Abschätzung von Risiken, zur Erkennung <strong>und</strong><br />

Bewertung möglicher Fehler.<br />

Vorgehensweise<br />

1. Untergliederung des Gesamtsystems in Systemelemente.<br />

2. Untersuchung der potentiellen Ausfallarten (Fehlfunktionen) <strong>für</strong> alle<br />

Systemelemente.<br />

3. Untersuchung der Ursachen <strong>und</strong> Auswirkungen (Effekte) von Fehlfunktionen<br />

(Fehlfunktionszusammenhänge).<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 418

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

FMEA - Untergliederung des Gesamtsystems<br />

Strukturierung nach funktionalen Zusammenhängen.<br />

Systemelement<br />

1.2.1.1 Schrankenanlage<br />

1.2 Fahrwegelement<br />

1.2.1 Bahnübergang<br />

1. FFB-System<br />

1.2.1.2 Lichtzeichenanlage<br />

1.1 Fahrzeug<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 419

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

FMEA - Untersuchung potentieller Ausfallarten<br />

1.2.1 Bahnübergang<br />

Lichtzeichenanlage umschalten<br />

Gelblicht <strong>und</strong> Rotlicht brennen<br />

zusammen<br />

...<br />

...<br />

Legende<br />

Systemelement<br />

Funktion<br />

1.2.1.2 Lichtzeichenanlage<br />

Gelbes Dauerlicht einschalten<br />

...<br />

Auf rotes Dauerlicht umschalten<br />

Gelblicht wird zu spät ausgeschaltet<br />

Rotlicht wird nicht eingeschaltet<br />

Rotlicht wird zu früh eingeschaltet<br />

...<br />

Rotes Dauerlicht ausschalten<br />

...<br />

...<br />

Fehlfunktion<br />

Fehlerfolge Fehlerfolge Fehler Fehlerursache<br />

Sicherung des Bahnübergangs<br />

kann nicht<br />

abgeschlossen werden<br />

Schrankenanlage<br />

wird solange nicht<br />

geschlossen<br />

Gelblicht <strong>und</strong> Rotlicht<br />

brennen<br />

zusammen<br />

Gelblicht<br />

wird zu spät<br />

ausgeschaltet<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 420

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

FMEA - Untersuchung von Fehlfunktionszusammenhängen<br />

1.1 Fahrzeug<br />

1.2.1.1 Schrankenanlage<br />

1<br />

FFB-<br />

System<br />

1.3 FFB-Zentrale<br />

1.2.1 Bahnübergang<br />

Lichtzeichenanlage umschalten<br />

Gelblicht <strong>und</strong> Rotlicht brennen<br />

zusammen<br />

...<br />

Fehlerauswirkungen<br />

1.2.1.2 Lichtzeichenanlage<br />

Gelbes Dauerlicht einschalten<br />

...<br />

Auf Rotes Dauerlicht umschalten<br />

Gelblicht wird zu spät ausgeschaltet<br />

1.2<br />

Fahrwegelement<br />

Fehlerursachen<br />

{<br />

Rotlicht wird zu früh eingeschaltet<br />

...<br />

Rotlicht ausschalten<br />

...<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 421

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

Firma (Stempel,<br />

Warenzeichen)<br />

Systeme/<br />

Merkmale<br />

FMEA – Formblatt nach VDA (Verband der Automobilindustrie)<br />

Bestätigung durch<br />

betroffene Abteilung<br />

Potentielle<br />

Fehler<br />

Fehlermöglichkeits- <strong>und</strong> -einflußanalyse<br />

Teil-Name<br />

Teil-Nummer<br />

Konstruktions-FMEA Prozeß-FMEA System-FMEA Modell/System/Fertigung Techn. Änderungsstand<br />

Name/Abt./Lieferant Name/Abt./Lieferant Erstellt durch (Name/Abt.) Datum Überarbeitet<br />

Potentielle<br />

Fehlerfolgen<br />

D<br />

Vorgesehene<br />

Prüfmaßnahmen<br />

IST-ZUSTAND<br />

Auftreten<br />

Bedeutung<br />

Entdeckung<br />

Potentielle<br />

Fehlerursachen<br />

Risikoprioritäts-<br />

zahl<br />

(RPZ)<br />

VERBESSERTER ZUSTAND<br />

Getroffene<br />

Maßnahmen<br />

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17)<br />

Auftreten<br />

Bedeutung<br />

Entdeckung<br />

Empfohlene<br />

Abstellmaßnahmen<br />

Verantwortlichkeit<br />

Risikoprioritätszahl<br />

(RPZ)<br />

Risikoanalyse<br />

Risikobewertung<br />

Risikominimierung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 422

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

FMEA – Ausgefülltes Formblatt (vereinfachte Darstellung)<br />

Funktion Pot. Fehler Pot. Folgen Ursachen Gegenmaßnahmen<br />

Bremswunsch<br />

aufnehmen<br />

Bremsung<br />

ist zu gering<br />

Solldruck des Bremspedalsensors<br />

bleibt zu gering, obwohl<br />

das Bremspedal betätigt wurde<br />

Blockierung des Bremspedals lösen<br />

Sensor austauschen<br />

Bremskraft<br />

liefern<br />

Solldruck<br />

der Bremssteuerung<br />

ist ungleich<br />

der Solldruckvorgabe<br />

des<br />

Fahrers<br />

Der Ist-<br />

Druck der<br />

elektrischen<br />

Radbremse<br />

ist ungleich<br />

zum<br />

Ist-Druck<br />

der Bremssteuerung<br />

Bremsung<br />

ist zu stark<br />

Bremsung<br />

ist zu gering<br />

Bremsung<br />

ist zu stark<br />

Der Solldruckwert wird von der<br />

Bremssteuerung kleiner als 0<br />

ermittelt<br />

Solldruck des Bremspedalsensors<br />

ist größer als die Vorgabe<br />

durch den Fahrer.<br />

Für den von der Bremssteuerung<br />

vorgegebenen Solldruckwert<br />

wird ein zu geringer Ist-<br />

Druck gemeldet<br />

Der Ist-Druck an der Radbremse<br />

bewirkt bei vorhandener Geschwindigkeit<br />

keine Verzögerung<br />

Für den vorgegebenen Solldruckwert<br />

wird ein zu großer Ist-<br />

Druck gemeldet<br />

Die Verzögerung ist im Verhältnis<br />

zum Ist-Druck an der Radbremse<br />

zu stark<br />

Der Algorithmus zur Berechnung des<br />

Solldruckwerts muss korrigiert werden.<br />

Verklemmung des Bremspedals<br />

lösen<br />

Sensor austauschen<br />

Störung der Ansteuerung der Radbremse<br />

muss identifiziert <strong>und</strong> beseitigt<br />

werden<br />

Defekt des pneumatischen Ventils<br />

muss identifiziert <strong>und</strong> behoben<br />

werden<br />

Blockierung der Radbremse lösen<br />

Störung der Ansteuerung der Radbremse<br />

muss identifiziert <strong>und</strong> beseitigt<br />

werden<br />

Verklemmung der Radbremse lösen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 423

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

Ereignisablaufanalyse (Event Tree Analysis)<br />

Vorgehensweise:<br />

– Darstellung der Ereignisabläufe mit ihren möglichen Verzweigungen in<br />

Form eines Ereignisbaums (Ereignisablaufdiagramms)<br />

Druckerhöhung<br />

über Grenzdruck<br />

Kompressor schaltet ab<br />

ja<br />

nein<br />

Verzweigung<br />

Anfangereignis,<br />

Zwischen- <strong>und</strong><br />

Endzustand<br />

Überdruckventil öffnet<br />

ja<br />

nein<br />

Behälter<br />

gefüllt<br />

Überdruck<br />

entweicht<br />

Behälter birst<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 424

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

SQMA-Verfahren<br />

(Situationsbasierte Qualitative Modellierung <strong>und</strong> Analyse)<br />

Vorgehensweise<br />

– Zerlegung des Gesamtsystems in Komponenten<br />

– Beschreibung der Komponenten mit qualitativen Ausdrücken <strong>und</strong> Intervallvariablen<br />

– Modellierung von Gefahren <strong>und</strong> Fehlverhalten auf Komponentenebene<br />

– Komposition der Komponenten zu Gesamtmodell<br />

– Ermittlung von Gefahren durch Auswertung des Gesamtmodells<br />

Kompressor Behälter Sicherheitsventil Status<br />

.. .. .. ..<br />

an drucklos zu bestimmungsgemäß<br />

an Überdruck verklemmt kritisch<br />

an Überdruck auf bestimmungsgemäß<br />

.. .. ..<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 425

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

Fehlerbaumanalyse (Fault Tree Analysis)<br />

Vorgehensweise:<br />

– Deduktive Zurückführung des Versagens eines Gesamtsystems auf den<br />

Ausfall seiner Teilsysteme <strong>und</strong> deren Ausfall auf den Ausfall ihrer<br />

Komponenten<br />

– Graphische Darstellung der Ergebnisse in einem Fehlerbaum<br />

– Annotation der Ausfallwahrscheinlichkeiten<br />

– Ermittlung der Versagenswahrscheinlichkeit des Gesamtsystems<br />

<br />

<br />

<br />

Auswertung der Ausfallwahrscheinlichkeiten der Komponenten<br />

Eintrittswahrscheinlichkeiten <strong>für</strong> Einwirkungen von außen<br />

Eintrittswahrscheinlichkeiten <strong>für</strong> Fehlbedienungen durch das Prozesspersonal<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 426

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

Beispiel eines Fehlerbaums<br />

Förderstrang, bestehend aus<br />

einer durch einen Elektromotor<br />

angetriebenen Pumpe <strong>und</strong> einem<br />

Ventil zur Förderung eines<br />

flüssigen Stoffes<br />

Unerwünschtes<br />

Ereignis: keine<br />

Förderung<br />

≥1<br />

0,96 0,04<br />

Versagen<br />

Stofffluss<br />

Ausfall der<br />

Stromversorgung<br />

≥1<br />

0,54 0,46<br />

Ventil versagt<br />

Pumpe arbeitet<br />

nicht<br />

0,81<br />

≥1<br />

0,19<br />

0,48<br />

≥1<br />

0,52<br />

Bedienfehler<br />

mechanisches<br />

Versagen<br />

Pumpe<br />

versagt<br />

Pumpenmotor<br />

versagt<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 427

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

PSA-Verfahren (Probability Safety Assessment)<br />

Anwendungsbereich: <br />

<br />

Kernkraftwerks-Anlagen<br />

verfahrenstechnische Systeme<br />

Vorgehensweise:<br />

– Untersuchung aller Ereignissequenzen, die zu einem Schadensfall führen<br />

– Kombinierte Verwendung von anderen Methoden<br />

(zum Beispiel Fehlerbaum- <strong>und</strong> Ereignisablaufanalyse)<br />

– Stets Bewertung von Auftrittswahrscheinlichkeit <strong>und</strong> zu erwarteten Folgen<br />

eines Fehlers<br />

Für die Folgen eines Fehlers wird dazu <strong>für</strong> jede Bewertung ein Maß<br />

festgelegt (z. B. erwartete Anzahl von Todesopfern)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 428

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 5.5<br />

Der nachfolgend abgebildeter Fehlerbaum besagt:<br />

<br />

<br />

<br />

Brandmeldezentrale <strong>und</strong> Brandmelder müssen gleichzeitig ausfallen,<br />

damit die Brandmeldung versagt.<br />

Der Ausfall eines Brandmelders führt zum Versagen der Brandmeldung.<br />

Sollte die Brandmeldezentrale versagen oder beide Brandmelder<br />

gleichzeitig ausfallen, so versagt die Brandmeldung.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 429

AT II<br />

§ 5 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

5.3 Sicherheitstechnik<br />

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

5.5 Methoden <strong>für</strong> die Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

5.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 430

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

AT II<br />

Sicherheitsnachweis <strong>für</strong> Hardwaresysteme<br />

Gr<strong>und</strong>satz<br />

– Einzelner Ausfall darf nicht zu einer Gefahr führen<br />

– Zweiter Ausfall innerhalb einer Zweitausfall-Eintrittszeit<br />

darf nicht zu einer Gefahr führen<br />

Nachweis durch Hierarchie von Sicherheitsmaßnahmen<br />

1. Ausfallausschluss bzw. Fehlerausschluss<br />

2. Ausschluss gefährlicher Folgen<br />

3. Begrenzung der Wahrscheinlichkeit gefährlicher Folgen<br />

Anwendbare Verfahren<br />

– Fehlermöglichkeits- <strong>und</strong> -einflussanalyse (FMEA)<br />

– Fehlerbaumverfahren (FTA)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 431

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

AT II<br />

Sicherheitsnachweis <strong>für</strong> Softwaresysteme<br />

Testverfahren sind ungeeignet!<br />

Test zeigt Anwesenheit von Fehlern, aber nicht deren Abwesenheit<br />

Sicherheitsnachweisverfahren<br />

– Verfahren der diversitären Rückwärtsanalyse<br />

– Korrektheitsnachweis mit formalen Methoden<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 432

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

AT II<br />

Verfahren der diversitären Rückwärtsanalyse zum<br />

Sicherheitsnachweis <strong>für</strong> Softwaresysteme<br />

Prüfer 1 Prüfer 2<br />

Maschinencode<br />

Rückübersetzen<br />

(Objektcode des<br />

Rückübersetzen<br />

Zielrechners)<br />

Rekonstruktion des<br />

Software-Entwurfs<br />

Rekonstruktion der<br />

Anforderungsspezifikation<br />

Ursprüngliche<br />

Anforderungsspezifikation<br />

Rekonstruktion des<br />

Software-Entwurfs<br />

Rekonstruktion der<br />

Anforderungsspezifikation<br />

rekonstruierte<br />

Anforderungsspezifikation<br />

Prüfer 3<br />

rekonstruierte<br />

Anforderungsspezifikation<br />

Vergleich der Anforderungsspezifikationen<br />

Sicherheits-<br />

Zertifikat<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 433

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

AT II<br />

Formale Softwareentwicklung<br />

Informelle<br />

Beschreibung<br />

Formale<br />

Systembeschreibung<br />

Formale<br />

Eigenschaften<br />

Formale Beschreibung<br />

der Implementierung<br />

Korrektheitsnachweise<br />

Physikalisch-technische<br />

Realisierung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 434

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

AT II<br />

Formale Spezifikation<br />

Formallogische Sprachen erlauben objektivierte Beschreibungen<br />

durch mathematisch definierte Syntax <strong>und</strong> Semantik<br />

– Syntax:<br />

Sprachen als mathematisch definierte Mengen von Zeichenreihen<br />

Grammatiken, Typen, induktive Syntaxregeln<br />

Systemunterstützung: Editoren, Syntaxanalyse, Typcheck,...<br />

– Semantik:<br />

Zuordnung von (Klassen von) mathematischen Strukturen zu<br />

Sprachkonstrukten<br />

Mengen, Relationen, Funktionen, algebraische Strukturen<br />

Die Prädikatenlogik bildet den Kern der meisten Formalismen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 435

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

AT II<br />

Formale Verifikation<br />

Nachweis mit formalen, mathematisch logischen Schlussweisen<br />

– Ein Programm ist korrekt bezüglich einer gegebenen formalen<br />

Spezifikation<br />

– Eine formale Spezifikation ist eine Verfeinerung einer anderen formalen<br />

Spezifikation<br />

– Die Transformation eines bezüglich einer Spezifikation korrekten<br />

Programms in eine Implementierungssprache ist korrekt<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 436

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

AT II<br />

Einsatz formaler Methoden zur Entwicklung sicherer<br />

Software<br />

Gesamtsystembeschreibung<br />

Lastenheft<br />

formal<br />

konventionell<br />

sicherheitsrelevante<br />

Anforderungen<br />

Modellierungsausschnitt<br />

operationelle<br />

Anforderungen<br />

Rahmensystem<br />

Sicherheitsnachweis<br />

Sicherheitsanforderungen<br />

Leistungs-<br />

Spezifikation<br />

Korrektheitsnachweis<br />

Programm-<br />

Quelltext<br />

Abstrakte<br />

Programme<br />

Umsetzung<br />

Verfeinerung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 437

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

AT II<br />

Beispiel <strong>für</strong> Sicherheitsanforderungen<br />

Anforderung 317 (1) <br />

Die Signale an zwei feindlichen Fahrstraßen<br />

(Kreuzung) dürfen nicht gleichzeitig grün sein<br />

NS<br />

OW<br />

Anforderung 318 (1) <br />

Das Verkehrsleitsystem muss an einer Kreuzung die Rot-Grün-Phasen <strong>für</strong><br />

optimalen Durchsatz von Fahrzeugen regeln<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 438

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

AT II<br />

Verifikation der Sicherheitsanforderungen<br />

Informell:<br />

– Systematisches Testen <strong>und</strong> Inspektion<br />

– Gefahr verborgener Fehler<br />

Formal:<br />

– Nachweis mathematischer Aussagen<br />

– erfolgreicher Beweis garantiert Fehlerfreiheit<br />

– Fehlersuche <strong>und</strong> -Korrektur durch Fehlschlaganalyse<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 439

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

Safety-Pattern - Konzept<br />

Formale Spezifikation von Sicherheitsanforderungen<br />

mit Hilfe einer endlichen<br />

Menge von Spezifikationsmustern<br />

(Safety-Pattern).<br />

Konventionelle Spezifikation<br />

Software-<br />

Assistent<br />

Verwendung des<br />

geeigneten Safety-Patterns<br />

Safety-Pattern<br />

• Bezeichnung<br />

• Klassenzuordnung<br />

• generische Spezifikation<br />

in formaler Sprache<br />

• generische Spezifikation<br />

in Normsprache<br />

• generische Spezifikation<br />

in grafischer Notation<br />

• grafische Veranschaulichungen<br />

AT II<br />

• Erläuterung in natürlicher Sprache<br />

• Musterbeispiel<br />

Instanziierung<br />

Safety-Pattern-Katalog<br />

Instanziierte Spezifikation<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 440

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

AT II<br />

Safety-Pattern - Beispiel<br />

Sicherheitsanforderung<br />

konventionell formuliert<br />

Die Schranken dürfen nur geöffnet<br />

werden, wenn der Zug den<br />

Bahnübergang passiert hat.<br />

Verwendung des<br />

geeigneten Safety-Patterns<br />

Instanziierung<br />

Sicherheitsanforderung<br />

formal formuliert (CTL)<br />

Geeignetes<br />

Safety-Pattern<br />

Spezifikation<br />

in Normsprache:<br />

Die Geltung von q ist erst<br />

strikt nach dem Zeitpunkt, zu<br />

dem p gültig ist, erlaubt.<br />

Spezifikation<br />

in formaler Sprache:<br />

A((not q) W (p and (not q)))<br />

A((not level_crossing.opening ) W<br />

(train.train_passed and<br />

(not level_crossing.opening )))<br />

Video: Spezifikation von Sicherheitsanforderungen<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 441

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

AT II<br />

Frage zu Kapitel 5.6<br />

In einem Beitrag einer Fachzeitschrift findet sich die Aussage: "Der Nachweis<br />

der Zuverlässigkeit <strong>und</strong> Sicherheit (von SPS-Systemen) kann derzeit nur<br />

durch Tests erbracht werden". Ist diese Aussage richtig?<br />

Welchen der folgenden Begründungen stimmen Sie zu?<br />

<br />

<br />

Tests ermöglichen das Auffinden von Fehlern, durch deren Beseitigung<br />

die Zuverlässigkeit gesteigert werden kann.<br />

Tests ermöglichen den Nachweis von Sicherheit oder Zuverlässigkeit,<br />

da sie die Abwesenheit von Fehlern aufzeigen können.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 442

AT II<br />

§ 5 Sicherheit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit von<br />

<strong>Automatisierungs</strong>systemen<br />

5.1 Gr<strong>und</strong>lagen <strong>und</strong> Begriffe<br />

5.2 Zuverlässigkeitstechnik<br />

5.3 Sicherheitstechnik<br />

5.4 Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen<br />

5.5 Methoden zur Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsanalyse<br />

5.6 Sicherheits-Nachweisverfahren<br />

5.7 Zusammenfassung<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 443

5.7 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Zusammenfassung Kapitel 5 (1)<br />

– Zuverlässigkeit bezieht sich auf die Verhinderung von Ausfällen, Sicherheit<br />

auf die Verhinderung von Gefahren.<br />

– Wichtige Zuverlässigkeitskenngrößen sind die mittlere Lebensdauer MTTF<br />

<strong>und</strong> die mittlere Versagensrate l.<br />

– Zur Zuverlässigkeitsmodellierung (<strong>und</strong> -berechnung) von Hardwaresystemen<br />

werden Zuverlässigkeits-Blockdiagramme verwendet.<br />

– Die Zuverlässigkeitsmodellierung von Software erfolgt auf Basis der pro<br />

Zeiteinheit gef<strong>und</strong>enen Fehler (Shooman-Modell) oder mit Hilfe eines<br />

Fehlersaat-Ansatzes (Mill-Modell).<br />

– Sicherheit definiert sich auf Basis des sog. Grenzrisikos. Ein wichtiger<br />

Aspekt der Sicherheitstechnik sind Sicherheitsvorschriften.<br />

– Entsprechend ihrem Gefährdungspotenzial müssen <strong>Automatisierungs</strong>systeme<br />

unterschiedlichen Sicherheitsstufen genügen, deren Einhaltung<br />

durch ein Sicherheitsnachweis bewiesen werden muss.<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 444

5.7 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Zusammenfassung Kapitel 5 (2)<br />

– Bestandteile einer Sicherheitsanalyse sind die Identifizierung von Gefahren<br />

(Gefahrenanalyse) sowie die Bewertung der Auswirkungen (Risikoanalyse).<br />

– Wichtige Verfahren zur Gefahrenanalyse sind die Fehlerbaumanalyse<br />

(FTA), die Ereignisablaufanalyse (ETA) <strong>und</strong> die Fehlermöglichkeits- <strong>und</strong><br />

-einflussanalyse (FMEA).<br />

– Man unterscheidet Zuverlässigkeits- <strong>und</strong> Sicherheitsmaßnahmen nach der<br />

Perfektions- <strong>und</strong> nach der Non-Perfektionsstrategie. Letztere ist immer nur<br />

ergänzend zu der Perfektionsstrategie zu betrachten.<br />

– Ziel der Perfektionsstrategie ist der Ausschluss von Fehlern bzw. Ausfällen<br />

vor der Inbetriebnahme.<br />

– Gängige Sicherheitsmaßnahmen nach der Non-Perfektionsstrategie sind<br />

Red<strong>und</strong>anz, Diversität sowie die Überführung bei Ausfällen in einen<br />

sicheren Zustand (falls vorhanden).<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 445

5.7 Zusammenfassung<br />

AT II<br />

Vorbereitungsfragen zu Kapitel 5<br />

Frage 1: Zuverlässigkeitstechnik (WS 04/05)<br />

Grenzen Sie die Begriffe Zuverlässigkeit <strong>und</strong> Verfügbarkeit gegeneinander ab.<br />

Frage 2: Methoden zur Sicherheitsanalyse (WS 04/05)<br />

Welche unterschiedlichen Zielsetzungen verfolgen induktive <strong>und</strong> deduktive Methoden zur<br />

Sicherheitsanalyse?<br />

Frage 3: Sicherheitstechnik (WS 02/03)<br />

Welche Zielsetzung wird bei einer Fehlerbaumanalyse verfolgt, welche bei einer<br />

Ereignisablaufanalyse?<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 446

AT II<br />

Kreuzworträtsel<br />

1 2 3 4 5<br />

6 7 8<br />

9<br />

10 11<br />

12 13 14 15<br />

16 17 18 19 20<br />

21 22 23<br />

24<br />

25 26 27<br />

28 29 30 31<br />

32<br />

33 34<br />

35 36 37 38<br />

39<br />

40 41<br />

42 43<br />

44 45 46<br />

47 48 49 50 51<br />

52<br />

53 54 55<br />

56 57<br />

58 59 60<br />

61<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 447

AT II<br />

Kreuzworträtsel (Erklärungen)<br />

Senkrecht<br />

1 Verbindung zw. Stellen <strong>und</strong> Transitionen bei Petri-Netzen (5)<br />

3 Begründer der Fuzzy-Logik (5)<br />

4 Gegenteil von Edukt (7)<br />

5 Zuverlässigkeit + Sicherheit + Verfügbarkeit (15)<br />

6 Umwandlung von Rohwerte in Fertigwerte (9)<br />

7 Sachlage bei welcher das Risiko kleiner als das Grenzrisiko ist (10)<br />

9 Der Handwerker braucht's - der Softwareentwickler auch (8)<br />

11 Logische Folgebeziehung (11)<br />

13 Spezieller Informationsfluss (10)<br />

14 Dient der Beschreibung eines Projekts / Produkts / Systems etc. (13)<br />

15 Um den Gewinn zu erhöhen müssen diese reduziert werden (6)<br />

16 Abk. engl. Echtzeit (2)<br />

17 Abk. Unified Modelling Language (3)<br />

18 Abstraktes Modell eines technischen Prozesses (13)<br />

19 Gegensatz zu quantitativ (10)<br />

23 Fehlersaatverfahren (4)<br />

24 Überwachungsaufgabe zur Fehlerlokalisation (8)<br />

26 Beschaffenheit einer Einheit bzgl. ihrer Eignung (8)<br />

28 Auftraggeber (5)<br />

31 Auf Erfahrung beruhend (9)<br />

33 Planungshilfsmittel (8)<br />

38 Prozessführung durch Bedienpersonal (6)<br />

40 Eliminierung von Störeinflüssen (9)<br />

42 engl. Sicherheit (6)<br />

44 Folgt nach Systemintegration (7)<br />

45 Erfinder der SA-Methode (7)<br />

46 Jedes innovative Vorhaben trägt ein großes Projekt-....... (6)<br />

47 Projektorganisationsform (6)<br />

49 Regler-Typ (3)<br />

51 Sachlage bei welcher das Risiko höher als das Grenzrisiko ist (6)<br />

54 Unterste Ebene der Prozessautomatisierung (4)<br />

Waagerecht<br />

2 Mehrfachauslegung (9)<br />

6 Gegenteil zur Synthese (7)<br />

8 Unerwünschter Zustand eines Petri-Netzes (11)<br />

10 Gegensatz zu diskret (14)<br />

12 Abk. Computer Aided Control Engineering (4)<br />

20 Folgerung (10)<br />

21 Entwicklungsphase (13)<br />

22 Folgt im Normalfall auf Angebot (7)<br />

25 Abk. Deutsches <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Normung (3)<br />

27 Eigenschaft einer Ursache-Wirkungs-Beziehung (6)<br />

29 Gegensatz zu kontinuierlich (7)<br />

30 Europäische Normungsinstitution (7)<br />

32 Verlust der Fähigkeit eines Systems geforderte Funktionen zu erbringen (7)<br />

34 Steuerungstechnisch interpretiertes Petri-Netz (4)<br />

35 Nachvollziehbare Vorgehensweise zur sicheren Erreichung eines Ziels (7)<br />

36 Instanziierung einer Klasse (6)<br />

37 Zyklisches Vorgehensmodell (12)<br />

39 Namensgeber <strong>für</strong> ein Software-Zuverlässigkeitsmodell (7)<br />

41 Fähigkeit eines Systems <strong>für</strong> eine gegebene Zeit korrekt zu arbeiten (15)<br />

42 Maßnahme zur Verringerung des Risikos (6)<br />

43 Abk. engl. Entscheidungstabelle (2)<br />

46 Komplementäre Strategie zur Steuerung (8)<br />

48 Projektplanungshilfsmittel (10)<br />

50 Vorübergehende Beeinträchtigung einer Funktion (7)<br />

52 Ausführbare Vorschriften oder Anweisungen zur Lösung eines Problems (9)<br />

53 Wirtschaftlichkeit = Ertrag / ....... (7)<br />

55 Bewährter Gr<strong>und</strong>satz (7)<br />

56 Engl. <strong>für</strong> unscharf (5)<br />

57 Spezielles Filter (6)<br />

58 Vorzeichen einer Zahl (6)<br />

59 Abk. Computer Aided Software Engineering (4)<br />

60 Vorhaben zur Lösung einer definierten Aufgabe durch Menschen (7)<br />

61 engl. Sicherheit (8)<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 448

AT II<br />

Index (1)<br />

Ablaufsteuerungen<br />

Abstraktion<br />

Abtastregelung<br />

Aktivitätsdiagramm<br />

Algebraische Analyse<br />

Analytisches Prozessmodell<br />

Anforderungsdefinition<br />

Anforderungsklassen<br />

Anlagenautomatisierungsprojekt<br />

Anlagenführung<br />

Anwendungsfall<br />

Anwendungsfall-Analyse<br />

Ausfall<br />

Ausfallrate<br />

<strong>Automatisierungs</strong>aufgaben<br />

<strong>Automatisierungs</strong>projekt<br />

Balkenplan<br />

Beratungssystem<br />

Betriebsführung<br />

Bewertungskriterien<br />

166, 169<br />

234<br />

158<br />

275<br />

191, 192<br />

142<br />

28, 29<br />

386, 388, 389<br />

16<br />

203<br />

269, 270<br />

269<br />

356<br />

365, 368<br />

98<br />

13, 14, 15<br />

55, 57<br />

206<br />

210<br />

225<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 449

AT II<br />

Index (2)<br />

Bewertungstabelle<br />

CA<br />

Datenfluss<br />

Datenflussdiagramm<br />

Defuzzifizierung<br />

Deskriptives Modell<br />

Diskrete Steuerungen<br />

Diversitäre Rückwärtsanalyse<br />

Dokumentation<br />

Ebenen der Prozessautomatisierung<br />

Einsatzmittelplanung<br />

Empirisches Prozessmodell<br />

Endliche Automaten<br />

Entscheidungstabelle<br />

Entwicklung<br />

Ereignisablaufanalyse<br />

Fachtechnische Lösungskonzeption<br />

226<br />

81<br />

248<br />

256, 257<br />

332<br />

103<br />

163, 166<br />

433<br />

88, 89<br />

199<br />

54<br />

142<br />

170, 171<br />

289<br />

19<br />

424<br />

28, 30<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 450

AT II<br />

Index (3)<br />

Fehler<br />

Fehlerbaumanalyse<br />

Fehlerdiagnose<br />

Fehlermöglichkeits- <strong>und</strong> -einflussanalyse<br />

Fließprozess<br />

Flussdiagramm<br />

FMEA<br />

FMEA-Formblatt<br />

Formale Spezifikation<br />

Formale Verifikation<br />

Fuzzifizierung<br />

Fuzzy-Control<br />

Fuzzy-Controller<br />

Fuzzy-Implikation<br />

Fuzzy-Inferenz<br />

Fuzzy-Logik<br />

Fuzzy-Menge<br />

Fuzzy-Mengen<br />

Fuzzy-Operatoren<br />

Gefahrenanalyse<br />

356<br />

426, 427<br />

119<br />

418<br />

140<br />

245, 246, 258<br />

418, 420, 421<br />

422, 423<br />

435<br />

436<br />

330<br />

318, 320<br />

329, 339<br />

328<br />

331<br />

318, 319<br />

323<br />

321<br />

326, 327<br />

391<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 451

AT II<br />

Index (4)<br />

Gewinn<br />

Graphentheoretische Analyse<br />

Hardware-in-the-Loop<br />

HAZOP<br />

Hierarchische Petri-Netze<br />

Hierarchisierung<br />

Implementierung<br />

Informationsfluss<br />

Informationsorientierte Betrachtungsweise<br />

Informationsorientierte Prozessüberwachung<br />

Inhärente Fehler<br />

Interaktionsübersichtsdiagramm<br />

Intervall-Variablen<br />

Kaskadierende Reglerstrukturen<br />

Kausale Modelle<br />

Klassendiagramm<br />

Kompositionsstrukturdiagramm<br />

Kondensation<br />

69<br />

185<br />

83, 84, 85<br />

416<br />

193<br />

234<br />

28, 34<br />

248<br />

200<br />

122, 132, 133, 134, 135, 136<br />

357<br />

276<br />

296, 307, 308, 309<br />

157<br />

287, 302, 303, 304, 305<br />

272<br />

274<br />

188<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 452

AT II<br />

Index (5)<br />

Konfigurationsmanagement<br />

Kontextdiagramm<br />

Kontrollfluss<br />

Kontrollschicht<br />

Kontrollspezifikation<br />

Kosten<br />

Kostenplanung<br />

Kostenrechnung<br />

Künstliche neuronale Netze<br />

Lastenheft<br />

Lebendigkeit<br />

Lösungsprozess<br />

Markierungsgraph<br />

Mensch-Prozess-Kommunikation<br />

Mill-Modell<br />

Mini-Spezifikationen<br />

Modell<br />

Modellbasierte Prozessüberwachung<br />

Modellbildung<br />

20<br />

249, 256, 257<br />

248<br />

246<br />

247<br />

75<br />

54<br />

76<br />

293<br />

21<br />

180<br />

222<br />

179<br />

204, 205<br />

379<br />

258<br />

100<br />

132<br />

230<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 453

AT II<br />

Index (6)<br />

Modellierungskonzept<br />

Modularisierung<br />

MSR-Stelle<br />

MTTF<br />

MTTR<br />

Netzkonstruktionen<br />

Netzplan<br />

Nicht-inhärente Fehler<br />

Nichttechnische Tätigkeiten<br />

Non-Perfektionsstrategie<br />

Normen<br />

Objektorientierte Analyse<br />

Objektorientiertes Design<br />

Objektorientierung<br />

PAAG<br />

Partielle Verklemmung<br />

Perfektionsstrategie<br />

Petri-Netz<br />

230, 231, 232, 233<br />

234<br />

236<br />

363, 366, 368<br />

370<br />

177<br />

55<br />

357<br />

18<br />

396, 397<br />

224<br />

271<br />

271<br />

266<br />

416, 417<br />

180<br />

396, 397<br />

175, 176, 177<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 454

AT II<br />

Index (7)<br />

Pflichtenheft<br />

Phasen<br />

Physikalische Fehler<br />

PID-Regler<br />

Plausibilitätsprüfung<br />

PLT-Stelle<br />

Port<br />

Produktautomatisierungsprojekt<br />

Produktionsführung<br />

Produktionsleitebene<br />

Produktivität<br />

Produktivitätsfaktoren<br />

Projektierung<br />

Projektmanagement<br />

Projektorganisationsformen<br />

Projektorganisationsplanung<br />

Projektplanung<br />

Projektstrukturplanung<br />

Prototypen<br />

Prozess-Signalerfassung<br />

Prozessaktivierungstabelle<br />

21<br />

17<br />

357<br />

154<br />

110, 111, 112, 113, 114, 115<br />

236<br />

274<br />

16<br />

210<br />

199<br />

72<br />

74<br />

19<br />

20, 47<br />

51<br />

50<br />

48<br />

49<br />

40<br />

107<br />

247<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 455

AT II<br />

Index (8)<br />

Prozessführung<br />

Prozessgrößen<br />

Prozessleitebene<br />

Prozessmodell<br />

Prozessüberwachung<br />

Prädikat/Transitionen-Netz<br />

Präskriptives Modell<br />

PSA<br />

Qualitative Modellbildung<br />

Qualitätssicherung<br />

Rapid-Prototyping<br />

Regelorientierte Modelle<br />

Regelungsstrategie<br />

Requirements Dictionary<br />

Reversibilität<br />

Risiko<br />

Risikoanalyse<br />

Risikoidentifikation<br />

Risikomanagement<br />

98, 149<br />

150<br />

199<br />

103, 104<br />

98, 119, 120<br />

195<br />

103<br />

428<br />

283, 284<br />

20<br />

83, 84, 85<br />

288<br />

151, 153<br />

254<br />

180<br />

63, 351<br />

391<br />

61, 62<br />

59<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 456

AT II<br />

Index (9)<br />

Risikomanagement-Prozess<br />

Risikomitigierung<br />

Risikoparameter<br />

Risikoverfolgung<br />

Rohrleitungs- <strong>und</strong> Instrumentierungsfließbild<br />

SA/RT<br />

Safety<br />

Safety Pattern<br />

Schaltregeln<br />

Security<br />

Sek<strong>und</strong>ärwert-Prüfung<br />

Shooman-Modell<br />

Sicherer Zustand<br />

Sicherheit<br />

Sicherheitsanalyse<br />

Sicherheitskenngrößen<br />

Sicherheitsmaßnahmen<br />

Sicherheitsnachweis<br />

Sicherheitsstufen<br />

Sicherheitsvorschriften<br />

60<br />

61, 62<br />

387<br />

64<br />

236<br />

244<br />

353<br />

440, 441<br />

176<br />

354<br />

111<br />

376, 377, 378<br />

384<br />

349, 353, 354<br />

391, 415<br />

385<br />

400, 401, 411, 412<br />

393, 431, 432<br />

386, 390<br />

392<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 457

AT II<br />

Index (10)<br />

Signaldurchschaltung<br />

Signalflussplan<br />

Signalorientierte Prozessüberwachung<br />

Signalorientierten Prozessüberwachung<br />

Signum-Variablen<br />

SIL<br />

Simulationsorientiertes Vorgehen<br />

SIPN<br />

Situationstabelle<br />

Software-Diversität<br />

Spiralmodell<br />

SQMA<br />

Stelle<br />

Steuerschrittfolge<br />

Steuerungsstrategie<br />

Strukturierter Entwurf<br />

Strukturierung<br />

Störgrößen<br />

Systematische Bewertung<br />

Systementwurf<br />

Systemstrukturierung<br />

109<br />

144<br />

122, 123<br />

124, 125<br />

295<br />

390<br />

41<br />

182, 183, 184<br />

310, 312<br />

406, 408<br />

42<br />

425<br />

175<br />

174<br />

151, 152<br />

260<br />

234<br />

150<br />

225<br />

28, 31<br />

223<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 458

AT II<br />

Index (11)<br />

T-Invarianten<br />

Tafelanschreib<br />

Technische Tätigkeiten<br />

Terminplanung<br />

Timing-Diagramm<br />

Totale Verklemmung<br />

Transition<br />

Trend recording<br />

Überlebenswahrscheinlichkeit<br />

Übertragungsglieder<br />

UML<br />

Unternehmensleitebene<br />

Use Case<br />

V-Modell<br />

Verfügbarkeit<br />

Verklemmung<br />

Verknüpfungssteuerungen<br />

Verlässlichkeit<br />

Versagensrate<br />

191<br />

192<br />

18<br />

55<br />

277<br />

180<br />

175<br />

131<br />

364<br />

146<br />

267<br />

199<br />

269<br />

43, 44<br />

355, 371, 372<br />

180<br />

166, 167<br />

355<br />

365, 367<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 459

AT II<br />

Index (12)<br />

Versagenswahrscheinlichkeit<br />

Vorgehen<br />

Vorgehensmodell<br />

Wartung<br />

Wasserfall-Modell<br />

Wasserfallmodell<br />

Werkzeugsysteme<br />

Wertanalyse<br />

Wirkungsplan<br />

Wirtschaftlichkeit<br />

Wissensbasierte Modelle<br />

Zeitbehaftete Petri-Netze<br />

Zugehörigkeitsfunktionen<br />

Zustandsdiagramm<br />

Zustandstabelle<br />

Zuverlässigkeit<br />

Zuverlässigkeits-Blockdiagramme<br />

Zuverlässigkeitsfunktion<br />

Zuverlässigkeitsmaßnahmen<br />

364<br />

28<br />

35<br />

22<br />

37<br />

38, 39<br />

81, 87<br />

77<br />

144<br />

69, 72<br />

291<br />

194<br />

324, 334<br />

172<br />

173<br />

348<br />

373<br />

364, 368<br />

398, 399, 409, 410<br />

© 2013 IAS, Universität Stuttgart 460

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