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Automatisierungstechnik
Hamburger Fern-Hochschule
Bernhard Kurz [email protected] in Teilen nach G. Achhammer
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Automatisierungstechnik: Teilgebiete und Signalflüsse
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Begriffe (1) • Prozess (DIN 66201)
Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem System, durch die Materie, Energie oder Informationen umge-formt, transportiert oder gespeichert wird.
• Technischer Prozess Prozess, dessen physikalische Größen mit technischen Mitteln erfasst und beeinflusst werden.
Anfangszustand von Materie, Energie
oder Information
Endzustand von Materie, Energie
oder Information Technischer Prozess
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• Technologischer Prozess Prozess, der Arbeitsgänge beinhaltet
• Automatisierter technischer Prozess Technischer Prozess, in dem die Vorgänge teilweise oder ganz selbsttätig, d.h. ohne unmittelbare Mitwirkung des Menschen ablaufen.
• Automatisierungstechnik Alle technischen Mittel und Verfahren zur gezielten Beeinflussung automatisierter technischer Prozesse
Begriffe (2)
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• Ökonomie • Ökologie • Ergonomie • Prozess-Stabilisierung
Prozess-Beherrschung Prozess-Optimierung Prozess-Sicherheit
Ziele der Automatisierung
Gefahren der Automatisierung • Rationalisierung, Monotonie • Hohe Investitionen • Technikabhängigkeit, Störanfälligkeit
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Automatisierungsfunktionen und Automatisierungsniveaus
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Beschreibungen von Automatisierungssystemen
• Technologisches Schema ganzheitliche Darstellung des Prozesses mittels grafischer Symbole (Ziel: fachübergreifende Verständigung)
• Wirkungsplan sinnbildliche Darstellung der Gesamtheit aller Wirkungen in einem betrachteten System (Ziel: Beschreibung der wirkungsmäßigen Zusammenhänge zwischen den Bestandteilen)
• Baugliedplan gerätetechnische Beschreibung und Darstellung
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Automatisierung: Signalarten und Signalverarbeitung
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Informationstechnik (1) Automatisierungssysteme sind informationsverarbeitende Systeme:
Information → Zeichen → Signale (Träger) → (Automatisierungs-)System • Information
= zielgerichtete Mitteilung (Adressat) [Zuruf] • Zeichen
= (geeignet) codierte Information [„HALLO“] • Signal
= zeitlicher Verlauf des physikalischen Abbilds einer Information • Signalarten [hex: 47 41 4C 4C 4F]
– analog - digital – kontinuierlich - diskontinuierlich (multiplex)
• Signalträger = physikalisches Medium (Elektrizität, Pneumatik)
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Informationstechnik (2) • Binäres Signal
= Signal, bei dem der Informationsparameter nur zwei Informationen enthält, 0 und 1.
• digitales Signal = Kombination aus mehreren Binärsignalen (mit entsprechender Codierung)
• Paralleles Signal = Signal, das aus n zeitgleichen binären Signalen gebildet wird.
• Serielles Signal = Signal, das aus n zeitlich nacheinander anstehenden binären Signalen gebildet wird (Einheit: 1 Baud = 1Bd = 1 Bit/s)
• Analog-Digital-Umsetzung (ADU) = Umwandlung analoger Signale, z.B. Spannungswert, in digitales Signal
• Digitalisierungsfehler = maximal mögliche Abweichung bei der Analog-Digital-Wandlung (+/- 1 LSB – least significant bit)
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Informationstechnik (3) • Codierung
= Zuordnung einer bestimmten Information zu einer vereinbarten Darstellung
• Zeichen = textuelle, durch Codierung entstandene Darstellungseinheit
• Code = Vorschrift für die Umsetzung von Informationen in Zeichen
• Codierungsformen – Binärcode: es gibt nur die Zeichen 0 und 1 – Numerische Codes: dienen zur Codierung von Zahlen (Beispiele: Dualcode, BCD-Code) – Alphanumerische Codes: Verwendung aller Zeichen eines
verfügbaren Zeichensatzes (Beispiel: ASCII)
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Informationstechnik (4)
• Duales Zahlensystem, Binärcode
• Konvertierung: Beispiele
• Arithmetik: Beispiele
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Kombinatorik • Grundfunktionen, abgeleitete Funktionen
→ UND/AND, ODER/OR, Negation/NOT
• Darstellungen
→ Schaltung, Funktionssymbol, Funktionstabelle, Schaltungsgleichung
• Rechengesetze (Distributiv, deMorgan) → eine/mehrere Variable(n), Gesetze der Boolschen Algebra
• Vereinfachung von Schaltfunktionen:
→ mit Schaltalgebra → mit Karnaugh-Veitch-Diagramm (KV-Diagramm)
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Kombinatorik (logische Verknüpfungen)
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Kombinatorik Beispiel:
K1= S0^S5^S1^S2^S4
v S0^S5^S1^S2^S4
v S0^S5^S1^S2^S4
v S0^S5^S1^S2^S4
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Sequenzielle Logik
• Speicher, Flip-Flop, Kippglieder: – Dominant Setzen – Dominat Rücksetzen – Verriegelung
• Zeitglieder, Timer
– Einschalt-/Ausschaltverzögerung – Puls- und Taktgeber
• Zähler, Counter
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Fuzzy-Logik und Fuzzy-Control
• Grundlagen der unscharfen Mathematik (Fuzzy)
• Werkzeuge: WINFACT – Modul FLOP
• Beispiel: Einstellung der Badewassertemperatur
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Prozessautomatisierungsklassen • nach dem Prozessgegenstand
– Materieprozesse – Energieprozesse – Informationsprozesse
• nach der Art der Einwirkung – Erzeugungsprozesse – Verteilungsprozesse – Aufbewahrungsprozesse
• nach dem zeitlichen Verhalten von Prozessgrößen – Fließ- oder kontinuierliche Prozesse (Verfahrenstechnik) – Folge- oder sequentielle Prozesse (Chargenprozesse) – Stückgutprozesse (Logistik)
• bzw. nach Produktionsart / -bereich – verfahrenstechnische Prozesse – fertigungstechnische Prozesse – fördertechnische Prozesse
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Prozessautomatisierungssystem
Anfangszustand von Materie, Energie
oder Information
Endzustand von Materie, Energie
oder Information
Technischer Prozess
Informationsverarbeitungs- und Kommunikationsprozess
Benutzungsprozess
Menschen
Automatisierungssystem: Chips, Platinen, Geräte, Schrank
Technisches System: Einrichtungen, Geräte, Anlagen
Bedienhandhabungen Meldungen
Einflussgrößen Ereignisgrößen
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Prozessautomatisierungssystem - Bestandteile -
Visualisierung, Archivierung
Automatisierungs-Rechnereinheit
Prozessankopplung,Prozessperipherie
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Prozessvisualisierung
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Prozessautomatisierung - Hardwarestruktur Rechnereinheit -
Zentraleinheit
CPU
Taktgeber Hauptspeicher
logisches
Ein-/Ausgabesystem
Prozess-Peripherie
Bedienungs-Peripherie
Verb
und-
Perip
herie
Spei
cher
-Per
iphe
rie
Mess- und Stellglieder
Benutzer
ande
re S
yste
me
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Prozessautomatisierungssystem - Komponenten der Prozessperipherie -
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Merkmale Sensoren und Aktoren
Analog: z.B. Weg/Winkel mit Potentiometer
Digital: z.B. Weg/Winkel Inkrementalgeber, Impulsgeber
Mechanisch, mechatronisch:
Schaltkontakt, Relais, Schütz, Ventil, Magnet
Elektrisch, elektronisch:
Thyristor-/Phasenanschnittschaltung, Motor
Initiatorisch: Endschalter, Näherungsschalter, Lichtschranken
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Prozessleittechnik Aufbau und Ebenen
PNK PNK
ASI-Bus
ES BBK BBK
Systembus
Ethernet
MES PPS BDE
Gateway
ERP Enterprise Resource Planning
MES Manufacturing Execution System PPS Produktionsplanungssystem BDE Betriebsdatenerfassung
BBK Bedien-/Beobachtungskomponente ES Engineering Station
PNK Prozessnahe Komponente Aktoren, Sensoren
ERP (SAP-R3)
Feldbus
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Prozessautomatisierung - Bussysteme (1) -
Bus = linienförmiges Sammelleitungssystem zur Informationsübertragung, an das alle Geräte, Rechner usw.
abzweigend angeschlossen sind. Busperfomance = beschreibt Zeitverhalten und Übertragungsleistung
des Bussystems
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Prozessautomatisierung - Bussysteme (2) -
• Feldbusse – Aktor-Sensor-Busse verbinden die Prozess-Koppelelemente eingangsseitig untereinander und mit
den Automatisierungssystemen der Ebene 1 (Feldebene) (z.B. ASI-Bus) – Steuerungsbusse verknüpfen die Automatisierungssysteme der Ebene 2 (Prozessleitebene-
Komponenten) untereinander und mit den prozessfernen Automatisierungssystemen (PROFI-Bus)
• Prozessbusse
verbinden die Automatisierungsgeräte der Ebene 3 untereinander und mit den Produktionsleitrechnern und Datenbanken der Ebene 3 (Prozessleitebene-Gruppen), z.B. SINEC H1
• Fabrikbusse
verbinden die Produktions-Leitrechner und Datenbanken der Ebene 3 untereinander und mit dem Zentralrechner der Ebene 4 (Produktions-/Betriebsleitebene), z.B. Ethernet
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Prozessautomatisierung - Softwarestruktur -
• Systemsoftware = Gesamtheit der anwendungsunabhängigen
hardwaregebundenen Programme und Daten zur Organisation und Verwaltung des Rechnerbetriebs
• Betriebssystem • Bedien- und Programmiersystem • Dienstsystem
• Anwendungssoftware = Zusammenfassung aller prozessspezifisch ausgeführten
Programme und Daten
• Firmware = in dezentralen Peripheriekomponenten enthaltene
Steuerungssoftware (embedded system)
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Prozessautomatisierung - Echtzeitbedingungen -
Echtzeit = Zeitgerechte Bedienung von Prozessen (mit Tm, Taz, TP) durch Rechner (Te, Ta, Tb)
• Meldezeit Tm = Zeit, in der ein Signal ansteht
• Erfassungszeit Te = Zeit, nach der ein Signal durch den Prozessrechner erfasst wird
• Reaktionszeit Tr = Zeit, nach der die Bearbeitung beginnt
• Bearbeitungszeit Tb = Zeit, die für die Bearbeitung (des Prozessrechners) benötigt wird
• Antwortzeit Ta ≤Tr+Tb = Zeit vom Eintreten des Ereignisses bis zur Ausgabe des Stellgliedes
• Stellzeit Ts = Zeit, die der Prozess benötigt, um auf ein Stellsignal zu reagieren
• Zulässige Antwortzeit Taz = Zeit, innerhalb der das Stellsignal ausgegeben sein muss
• Prozesszeit Tp = Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ereignissen
(bei zyklischen Ereignissen)
Es gilt: Te ≤ Tm Ta ≤ Taz Tb ≤ Tp
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Prozessautomatisierung - Lebenszyklen -
• Planen • Konzipieren • Projektieren • Entwickeln
• Errichten • Montieren • Installieren • Erproben
• Betreiben • Nutzen • Instandhalten • Pflegen
• Erneuern • Konzipieren • Modernisieren
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Steuern = Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als
Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen
Kennzeichen: offener Wirkungsablauf liegt vor bei
– offenem Wirkungsweg: kein Wirkungsweg führt von einer beeinflussten zu einer
beeinflussenden Größe zurück – (geschlossenem Wirkungsweg: die beeinflusste Größe wirkt auf die beeinflussende
zurück, aber nicht fortlaufend)
Steuerungstechnik
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Darstellung einer Steuerung im Wirkungsplan
Darstellung im Wirkungsplan als Steuerkette = Wirkungsmäßige Verknüpfung von Steuereinrichtung und
Steuerstrecke Steuerstrecke, Prozess = Teil des Wirkungsweges, der den aufgabengemäß zu
beeinflussenden Bereich der Anlage darstellt. Steuereinrichtung = Teil des Wirkungsweges, der die aufgabengemäße Beeinflussung
der Strecke über das Stellglied bewirkt. Stellgröße y = Ausgangsgröße der Steuereinrichtung und Eingangsgröße der
Steuerstrecke Störgröße z = von außen wirkende Größe, die die beabsichtigte Beeinflussung
in einer Steuerung beeinträchtigt
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Wirkungsplan einer Steuerung
Steuerstrecke Prozess
Stellglied
Steuereinrichtung
technisches System
y = Stellgröße
z = Störgröße
Eingangsgröße w
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Verknüpfungssteuerung = Steuerung, die den Signalzuständen der Eingangssignale
bestimmte Signalzustände der Ausgangssignale im Sinne boolescher Verknüpfungen zuordnet.
Führungssteuerung = Steuerung, bei der zwischen den Ein- und Ausgangsgrößen
ein wert-/funktionsmäßiger Zusammenhang besteht.
Ablaufsteuerung = Steuerung mit zwangsläufig schrittweisem Ablauf, bei der das
Weiterschalten von einem auf den programmgemäß folgenden abhängig von einer Weiterschaltbedingung erfolgt.
• zeitgeführte Ablaufsteuerung (Ampelanlage) • weggeführte Ablaufsteuerung (Kopierfräsen) • prozessgeführte Ablaufsteuerung (Waschmaschine)
Steuerungsarten (nach Art der Signalverarbeitung)
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Steuerungsarten (nach Art der Realisierung)
Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) Realisierung der Verarbeitungsfunktionen der Steuerung durch funktionsbezogene Schaltungen (problemorientierte Verbindungen von Schaltungselementen, z.B. Schalter, Relais, Schütz (Darstellung durch Stromlaufplan, Bauschaltplan, Anschlussplan) oder IC‘s (ASIC, F-PGA)
Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Realisierung der Steuerungsfunktion durch Software, wobei bevorzugt binäre Eingangssignale zu binären Ausgangs- signalen verarbeitet werden. Verarbeitungsfunktionen werden durch Programme realisiert. Die Verarbeitung ist einem Prozessrechner übertragen.
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Einsatzfelder von SPS
Fertigungsprozesse (Werkzeugmaschinen, Pressen,
Fertigungslinien)
Herstellungsprozesse (Nahrungsgüter, chemische Produkte,
Textilien, Papier, usw.)
Bearbeitungsprozesse (Schweißen, Schneiden, Biegen)
Lager-, Verpackungs- und Transportprozesse ( Regallager,
Dosiereinrichtungen, Förderer)
Handhabungs- und Montageprozesse (Roboter)
Verkehrstechnik und Verkehr ( Verkehrsleitung und –überwachung)
Versorgung und Entsorgung (Energie, Wasser, Abwasser)
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Grundfunktionen einer SPS
Verarbeitung binärer Signale, welche aus Kontakten, Initiatoren, Schaltern, Lichtschranken u.a. stammen zu binären Signalen für das Schalten von Motoren, Ventilen, Lampen, Magneten, Anzeigen usw.
Weitere Verarbeitungs- und Steuerungsfunktionen – Zähl- und Zeitfunktionen (softwaremäßige Realisierung auf
der Basis von Countern und Timern) – Arithmetische Rechen- und Vergleichsfunktionen – Digitale Ein- und Ausgabefunktionen
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Aufbau einer modularen SPS (1)
Stromversorgungsmodul: erzeugt die für den Betrieb erforderlichen Spannungen (z.B +/-5V, +/-12V, 24V)
Zentralmodul: zuständig für die Informationsverarbeitung, enthält neben einem oder mehreren Mikroprozessoren den Arbeits-, Programm- und Betriebssystemspeicher und Schnittstellen
Signalmodule (Ein-/Ausgabemodule): erfüllen die Schnittstellenfunktionen zwischen der Informationsverarbeitung einerseits und den Mess- und Stellgliedern im technischen Prozess andererseits, besitzen Eingänge für binäre, digitale und analoge Signale aus den Messgliedern und Ausgänge an die Stellglieder, erfüllen Funktionen der Ein- und Ausgangsanpassung
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Aufbau einer modularen SPS (2)
Kommunikationsmodule: stellen den Anschluss an einen seriellen Steuerungsbus und evtl. an einen Sensor-Aktor-Bus her zum Zweck des Datenaustausches mit anderen Systemen (Kommunikationsprozessor, Buscontroller)
Funktionsmodule: erforderlich, falls aus funktionellen, programmtechnischen oder Echtzeitgründen ein zusätzliches Bindeglied zwischen dem technischen Prozess einerseits und der zentralen Verarbeitung andererseits nötig ist, z.B. – schnelle Zählvorgänge – Einlesen und Konvertieren speziell kodierter Informationen,
z.B aus Barcode-Scannern – Anschluss von Bediensystemen, z.B. zur
Prozessvisualisierung – Einbindung einer numerischen Steuerung
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Geräte-/Zuordnungsliste und Beschaltung einer SPS
Anschluss Bezeichnung B-Mittel
E4.1 Taster S1
E4.2 Schalter S2
A5.0 Anzeige-LED H1
A5.1 Motorschütz K2
A6.4 E-Ventil Y3
CPU / Speicher / ,E/A
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Betriebsart einer SPS
Zyklusbetrieb, d.h. das Programm läuft in einer Endlosschleife
Eingabephase
Verarbeitungsphase
Ausgabephase
Betriebsystem
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Zykluszeit einer SPS
Zykluszeit TZ:
BAVEZ TTTTT +++=
TE = Zeit für die Eingabephase
TV = Zeit für die Verarbeitungsphase
TA = Zeit für die Ausgabephase
TB = Zeit für das Ausführen bestimmter Funktionen des Betriebssystems
Echtzeitbedingungen:
2
2P
Z
azZ
mZ
TT
TT
TT
≤
≤
≤
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Sprachen zur SPS -Programmierung
Anweisungsliste (AWL)
Funktionsbausteinsprache (FBS), Funktionsplan (FUP)
Kontaktplan (KOP)
Strukturierter Text (ST)
Ablaufsprache (AS)
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Anweisungsliste (AWL)
Ursprung in der Programmierung von Prozessoren in Assembler
Folge von Befehle, die vom Rechner sequentiell abgearbeitet
werden
Aufbau einer Anweisung:
Marke Operator Operand Kommentar
Start LD %IX 5.3 (*Eingang 5.3 laden*)
laden Kennzeichen (Eingang, Ausgang,usw.) Kanalnummer
Bitnummer
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Liste der Kennzeichen
IX binärer Eingang
QX binärer Ausgang
MX binärer Merker
C Counter
T Timer
FC Funktion
FB Funktionsbaustein
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Liste der Operatoren
LD laden ) Klammer zu
LDN negierten Wert laden S auf 1 setzen
ST speichern R auf 0 setzen
STN negierten Wert speichern JMP Sprung
AND UND JMPC bedingter Sprung
AND( UND Klammer auf JMPNC bedingter Sprung
ANDN UND NICHT CAL Funktionsaufruf
OR ODER RET Rückkehr aus Funktion
XOR ENTWEDER - ODER
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& UND
ODER
NICHT
XOR
Äquivalenz
Funktionsbausteinsprache (FUP)
geeignet für Verknüpfungssteuerungen
graphische Notationsform unter Verwendung der logischen
Funktionssymbole
Beispiel:
& x1 x2
y
1≥
1==
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Kontaktplan (KOP)
graphische Notationsform ähnlich dem Stromlaufplan
Abfrage auf 1 („Schließer“)
Abfrage auf 0 („Öffner“)
Zuweisung
Strukturierter Text (ST)
Textliche Programmcodierungen ähnlich höheren
Programmiersprachen wie PASCAL, C
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Ablaufsprache (AS)
für Ablaufsteuerungen geeignet
graphische Notationsform bestehend aus den Grundelementen – Schritt – Transition – Aktion mit Qualifizierern (S,R,D,N(NS),F,RC)
Q/Aktionen Schritt
Transition (Übergangsbedingung)
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Numerische Steuerungen (NC = Numeric Control)
digital arbeitende Steuerungen
Darstellung und Verarbeitung von Prozessinformationen in
numerischer Form (z. B. Maßzahlen)
Vorteile: – Zielpositionen für Bewegungsschritte frei programmierbar – physikalische Größen können kontinuierlich gesteuert werden