Automatisierungstechnik (Bild: FH Köln)

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Prof. Dr. Christoph Bold

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Prof. Dr. Karl Kohlhof

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Lehrinhalte

Der Studienverlaufsplan des Bachelorstudiengangs mit Studienrichtung Automatisierungstechnik orientiert sich mit seinem Curriculum an den Empfehlungen von Berufsverbänden und den zahlreichen Firmen, mit denen das Institut kooperiert. Im ersten Studienjahr erfolgt die Ausbildung in mathematischnaturwissenschaftlichen sowie elektrotechnischen und informationstechnischen Grundlagenfächern. Im zweiten und dritten Studienjahr werden die speziellen automatisierungstechnischen Kenntnisse vermittelt. Diese werden durch wichtige zusätzliche Qualifikationen wie technisches Englisch oder betriebswirtschaftliches Basiswissen ergänzt. Ein Fachpraktikum und eine Bachelorarbeit schließen den Studiengang ab.

Praktikum LeistungselektronikVersuchsstand für das Praktikum Leistungselektronik (Bild: M. Nixdorf, FH Köln)

Eine Vielzahl von Wahlfächern ermöglicht den Studierenden eine Spezialisierung entsprechend der persönlichen Neigung. Ingenieurmäßiges Arbeiten wird während der Mitarbeit in einem der Laboratorien des Instituts vermittelt, in dem in der Regel auch die Bachelor- bzw. Masterarbeit ausgeführt wird. Dabei erfolgt oft die Einbindung in Forschungsprojekte, teils in Kooperation mit attraktiven industriellen Partnern aus dem In- und Ausland. Der Studiengang ist so aufgebaut, dass bei ordnungsgemäßem Studium der Abschluss zum Bachelor of Science Elektrotechnik nach sieben Semestern gewährleistet ist. Nach weiteren drei Semestern gemäß dem Studienverlaufsplan des Masterstudiengangs ist der promotionsqualifizierende, akademische Grad Master of Science zu erreichen.

Modularer Aufbau

Der modulare Aufbau des Studiums und die Bewertung der Module und Lehrveranstaltungen nach dem European Credit Transfer System (ECTS) erleichtern den internationalen Studierendenaustausch. Der Studiengang sieht einen Umfang von insgesamt 210 ECTS Punkten vor. Eine detaillierte Beschreibung alle Module finden Sie in den Modulhandbüchern.

Module und Lehrveranstaltungen Elektrotechnik (Bachelor)

Studienfächer alle Richtungen:

+ Mathematik

Nach der Erläuterung mathematischer Grundbegriffe wie Mengen, Funktionen, Termen und Gleichungen werden in der Lehrveranstaltung die Eigenschaften und die Graphen der wichtigsten reellen Funktionen bestimmt. Des Weiteren werden Grenzwerte für Folgen und Funktionen berechnet, Funktionen auf Stetigkeit untersucht, die Definition der Ableitung und ihre anschauliche Bedeutung erläutert und Tangenten und Taylorpolynome bestimmt. Zwei weitere wichtige Punkte sind das Rechnen mit Vektoren (Elementare Vektorrechnung, Ortsvektoren und freie Vektoren, Skalarprodukt, Winkel, Vektorprodukt, Geraden, Ebenen, analytische Geometrie) und Matritzen (Lineare Gleichungssysteme und ihre Lösungsmenge, Gaußscher Algorithmus, inverse Matrix, Determinante, Rang, lineare Abbildungen, Eigenwerte und Eigenvektoren).

+ Grundgebiete der Elektrotechnik

Die Module „Grundgebiete der Elektrotechnik 1 bis 3“ behandelt folgende Themen:
• Physikalische Größen und Größensysteme in der Elektrotechnik kennen und zuordnen
• Grundlegende Zusammenhänge zwischen den elektrotechnischen Grundgrößen beschreiben
• Reale elektrische Netzwerke in Modelle überführen
• reale und ideale Bauelemente (aktive und passive Zweipole) unterscheiden
• Bauelementeeigenschaften aus Werkstoffeigenschaften ableiten
• Die Begriffe Leistung und Arbeit auf die Elektrotechnik anwenden
• Messgeräte und Messverfahren zur Messung elektrischer Größen beschreiben und einsetzen können
• Ursachen und Feldgrößen des elektrischen Feldes kennen
• Transiente Vorgänge beschreiben und erläutern können
• Schaltvorgänge mit einem Energiespeicher beschreiben und erklären
• Magnetische Feldgrößen benennen und einordnen
• Die Bedeutung des Magnetfeldes für die Elektrotechnik an Beispielen erläutern
• Unterschiedliche Spannungs- und Stromformen (Gleich- und Wechslegrößen) unterscheiden
• Verfahren zum rechnerischen Umgang mit Wechselspannung kennen und handhaben
• Verfahren zum rechnerischen Umgang mit Arbeit und Leistung bei Wechselstrom benennen und anwenden
• Messgeräte und Messverfahren für Wechselstromnetzwerke benennen
• Spezielle Kennwerte zeitabhängiger Größen benennen, erklären und berechnen
• Elektrische Felder
• Magnetische Felder
• Transformator, Magnetisch gekoppelte Leiterschleifen

+ Praktische Informatik

Einleitend behandelt die Lehrveranstaltung das Erstellen von Algorithmen zur Lösung vorgegebener Probleme mittels Beschreibung in natürlicher Sprache und Beschreibung in grafischer Form (Struktogramme und/oder Programmablaufpläne) um dieses anschließend durch Programmierung in einer höheren Sprache umzusetzen. Dabei werden folgende Punkte betrachtet:
• Programmierung elementarer Operationen
• Programmierung mit Kontrollstrukturen
• Programmierung mit Methoden
• Programmierung mit strukturierten Datentypen, insbes. Arrays
• Programmierung mit grundlegenden Techniken der objektorientierten Programmierung (Klassen und Objekte)
• Programmierung mit Klassenhierarchien
• Programmierung mit generischen Klassen
• Programmierung von Ein-/Ausgabe
• Formale Beschreibung syntaktischer Strukturen
• Programmierung rekursiver Funktionen

+ Physik

Neben der Vermittlung mathematischer Grundlagen wie Koordinatensysteme, Vektorrechnung und Schwingungs- und Wellendifferentialgleichungen steht in der Lehrveranstaltung die klassische Physik im Mittelpunkt. Der Bereich klassische Physik deckt dabei die Themenfelder Mechanik, Hydro-und Aeromechanik, Optik, Wärmelehre und Elektrodynamik ab.

+ Messtechnik

Die Lehrveranstaltung vermittelt den Umgang mit Messmitteln und Sensoren. Dazu werden die Bereiche Fehlerquellen und deren Fortpflanzung, Analoge Messwerke, Strom- und Spannungsmessung, Widerstandsmessung, Sensorik, Digitale Messtechnik und analoge und digitale Oszilloskope behandelt.

+ Grundlagern der technischen Informatik

Die Lehrveranstaltung vermittelt das Herleiten eines Systemverhaltens aus spezifizierenden Texten, das Nutzen von Beschreibungsverfahren, den Aufbau eines digitaltechnischen Systems und den Aufbau eines Steuerungssystems mit Computer. Dabei werden verschiedene Kenntnisse vermittelt:
• elementare Automatentheorie
• Grundlagen der Technologie digitaler Systeme
• Grundlagen der C-Programmierung für hardwarenahe Programmierung
• hardwarenahe I/O-Programmierung in C
• Software-Entwicklungsumgebungen
• Programmierung von Aufgaben des Messens, Steuerns und Regelns in C
• Aufbau und Funktionsweise eines dedizierten Kleinrechnersystems (z.B. Mikrocontroller)
• I/O-Schnittstellen eines Rechnersystems und deren Nutzung mittels C (am Beispiel des dedizierten Kleinrechnersystems)
• Interrupts

+ Elektronik

In der Lehrveranstaltung Elektronik werden Schaltungseigenschaften benannt und analysiert um anschließend reale Schaltungen zu modellieren, zu berechnen und zu dimensionieren. Reale Schaltungen und Bauelemente, die hier betrachtet werden sind z.B. lineare passive Schaltungen, RC-Glieder, Dioden und Diodenschaltungen, Bipolartransistoren und ihre Grundschaltungen, Feldeffekttransistoren, Differenzverstärker, Operationsverstärker und Leistungsverstärker.

+ Analoge Signale und Systeme

In diesem Fach werden grundlegende Kenntnisse über Theorie und Anwendung analoger Signale und Systeme gelehrt. Hierbei werden gängige Algorithmen zur Verarbeitung von Signalen im Zeit- und Frequenzbereich erlernt. So werden z. B. das Prinzip der Faltungsoperation genauso wie die Fourier-Transformation und die Laplace-Transformation betrachtet. In diesem Modul wird erklärt, wie mit systemtechnischen Blockschaltbilder umgegangen wird und wie die Eigenschaften eines Systems im Zeit- und Frequenzbereich ermittelt, dargestellt und interpretiert werden können. Zusätzlich werden Korrelationsfunktionen betrachtet und ein Stabilitätskriterium hergeleitet. Damit wird in diesem Modul erlernt, reale Systeme systemtechnisch zu analysieren, modellhaft zu beschreiben und vereinfacht zu synthetisieren.

+ Betriebswirtschaft und Recht

In dieser Lehrveranstaltung werden folgende Kenntnisse vermittelt:
• Grundlegende Unternehmens- und Personalstrukturen mit Bezug auf Unternehmensziele, Absatzmärkte, Beschaffung und Produktion charakterisieren und gegenüberstellen
• Grundlegende Begriffe und Methoden zur Wirtschaftlichkeitsbetrachtung in Unternehmen und von Projekten unter Berücksichtigung steuerrechtlicher und finanzrechtlicher Vorgaben benennen und charakterisieren
• Grundlegende Managementaufgaben in Unternehmen erkennen und diskutieren
• Aufgabenspektrum professioneller Managementwerkzeuge zur Unternehmenssteuerung benennen
• Grundlegende Begriffe und Methoden des betriebswirtschaftlichen Projektmanagements definieren, einordnen und erläutern
• Grundlegende Begriffe des Qualitätsmanagements nach ISO9xxx diskutieren
• Grundlegende Begriffe aus dem Unternehmensrrecht diskutieren
• Unterschied zwischen Betriebswirtschafts- und Volkswirtschaftslehre diskutieren

Richtung Automatisierungstechnik:

+ Leistungselektronik

Leistungselektronik beschäftigt sich mit der Umformung unterschiedlicher elektrischer Energieformen. So werden zum Beispiel Wechselrichter (DC-AC Wandler) zum Einspeisen der Solarenergie von Photovoltaik-Generatoren in das Wechselspannungsnetz genutzt. Da der Transport und die Umformung von Energie Gegenstand des Fachs ist, werden immer energieeffiziente und kostengünstige Lösungen angestrebt.

Zu Beginn der Veranstaltung wird der grundsätzlich effiziente und energiesparende Betrieb von Leistungselektronik veranschaulicht. Der effiziente, schaltende und damit nichtlineare Charakter der Leistungselektronik wird an den großen Wandlerfamilien, nämlich den fremdgeführten (insbesondere netzgeführten) und selbstgeführten leistungselektronischen Schaltungen dargelegt.

Netzgeführte leistungselektronische Konverter in Thyristortechnik und deren Anwendungen (z.B. der klassischen Hochspannungs-Gleichstrom Übertragung, HGÜ) werden vorgestellt und analysiert. Es wird auf die Bedeutung der Netzrückwirkungen und deren Beschreibung eingegangen.

Grundlegende DC-DC Wandler als Beispiele für selbstgeführte leistungselektronische Schaltungen, für die abschaltbare Halbleiterbauelemente eingesetzt werden, werden vorgestellt und analysiert. Das Prinzip der Pulsweitenmodulation, als essentielle Steuerungsmethode, wird vermittelt und für grundlegende regelungstechnische Ansätze diskutiert. Wechselrichterschaltungen werden als Derivat der DC-DC Steller eingeführt. Die hinzukommenden Freiheitsgrade der Modulationsvarianten werden in Ihren Auswirkungen analysiert.

Beispiele für selbstgeführte Umrichter sind Schaltungen für Photovoltaik- und Windanlagen, Antriebsumrichter in Elektrofahrzeugen und automatisierten Industrieanlagen, Ladegeräte Mobiltelefone, Laptops etc., …

+ Digitale Signale und Systeme

Auf den Erkenntnissen und Erfahrungen des Moduls "Analoge Signale und Systeme" aufbauend werden in diesem Fach grundlegende Kenntnisse über Theorie und Anwendung zeitdiskreter Signale und Systeme gelehrt. Hierbei werden das Prinzip der zeitdiskreten Faltungsoperation genauso wie die Fourier-Transformation zeitdiskreter Signale und die z-Transformation betrachtet, so daß gängige Algorithmen zur zeit- und frequenzmäßigen Verarbeitung von zeitdiskreten Signalen erlernt werden. Anschließend werden einfache Entwurfsverfahren für diskrete Filter erarbeitet sowie die DFT und die FFT ansatzweise betrachtet. Damit wird in diesem Modul erlernt, die Eigenschaften eines diskreten Systems im Zeit- und Frequenzbereich zu ermitteln, darzustellen, zu interpretieren sowie seine Stabilität zu beurteilen.

+ Steuerungstechnik

In der Lehrveranstaltung werden mathematische und grafische Modellierungssprachen betrachtet, die zur Beschreibung von nebenläufigen, ereignisdiskreten Systemen dienen. Die Verhaltensmodellierung wird anhand von Statecharts (SC) und Petrinetze (PN) gezeigt. Ein weiterer Schwerpunkt liegt im Erkennen von Strukturen und Verhalten von Automatisierungssystemen.

+ Regelungstechnik

Es werden die Grundbegriffe der Regelungstechnik, das Kennlinienfeld einer Regelstrecke und die Grundtypen und Kenngrößen der Regler in der Lehrveranstaltung vorgestellt. Durch die Aufstellung der Übertragungsfunktion eines geschlossenen Regelkreises, die Wahl eines geeigneten Reglers bei gegebener Strecke und die Berechnung der Stabilität von Regelkreisen werden die vermittelten Kenntnisse weiter vertieft.

+ Elektrische Antriebe

Zunächst werden die wichtigsten mechanischen Grundlagen elektrischer Antriebe zusammengestellt (Dynamische Betrachtung von Längs- und Drehbewegungen, Getriebe, Trägheitsmomente, .... ). Danach wird der Gleichstrommotor bzgl. seines Aufbaus und seiner Funktion vorgestellt. Anschließend werden Möglichkeiten der Stromversorgung des Gleichstrommotors mit einem netzgeführten Umkehrstromrichter und mit einem pulsweitenmodulierten Vierquadrantensteller aufgezeigt.

Im weiteren Verlauf der Vorlesung wird die Asynchronmaschine betrachtet. Neben der Funktion dieser Drehfeldmaschine werden Ersatzschaltbilder zur Beschreibung des Betriebsverhaltens vorgestellt (z.B Stromortskurven). Im Anschluss wird der dreiphasige Pulswechselrichter zur Stromversorgung von Drehfeldmaschinen genauer betrachtet, wobei auch verschiedene Varianten der Pulsweitenmodulation PWM verglichen werden. Schließlich werden die wichtigsten Ansteuerverfahren zur Dreh- und Momentenverstellung eines Antriebes mit Asynchronmaschine und Pulswechselrichter vorgestellt.

Schließlich wird die Funktion der Synchronmaschine betrachtet, wobei hauptsächlich Synchronmaschinen mit PM Magnet betrachtet werden. Abschließend wird die Wirkungsweise der Synchronmaschine am Pulswechselrichter untersucht und es werden hochdynamische Regelungsverfahren besprochen.

+ Prozessleittechnik Planung

In der Lehrveranstaltung wird eine strukturierte leittechnische Planung dargestellt und prozessleittechnische Aufgabenstellungen beschreiben. Ein weiterer Schwerpunkt stellt die funktionale Sicherheit von Anlagen und die Verfügbarkeit von Anlagen und Komponenten dar. Die Strukturen von Prozessleitsystemen werden anhand von prozessnahen Funktionen, Anzeige- und Bedienfunktionen, Systemnetzwerken und Feldbussen erläutert.

+ Prozessleittechnik Systeme

Aufbauend auf die Lehrveranstaltung „Prozessleittechnik Planung“ erfolgt hier eine detaillierte Darstellung von Prozessmesstechniken wie z.B. Temperatur-, Druck- und Füllstandsmesstechnik. Im Bereich der Prozessstelltechnik werden die Widerstands- und Quellensteuerung, elektrische, hydraulische und pneumatische Hilfsenergien und der Aufbau von Armaturen besprochen. Weitere Schwerpunkte sind die praktische Regelungstechnik und die programmierbare Steuerungstechnik.

+ Softwareengineering

„Software Engineering Automatisierungstechnik“ widmet sich dem Analysieren, Modellieren, Entwerfen und dem qualitätsgesteuerten Entwickeln technischer Softwaresystemen. In der Analyse werden Systemanforderungen methodisch ermittelt, konsolidiert und priorisiert. Das Modellieren wird unter der Nutzung der Unified Modeling Language (UML) an verschiedenen Strukturnotationen wie dem Klassendiagramm oder dem Verteilungsdiagramm dargestellt. Der Entwurf wird besonders in Bezug auf Softwareentwicklung in verteilten Teams betrachtet um abschließend verschiedene Vorgehensmodelle für die Entwicklung zu beschreiben, gegenüberzustellen und exemplarisch anzuwenden.

Darüber hinaus sind in allen Studienrichtungen Vertiefungs- und Wahlpflichtfächer zu belegen.

Wahlpflichtfächer Schwerpunkt Automatisierungstechnik:

+ Automatisierungssysteme für den rationellen Energieeinsatz

Das Wahlfach behandelt Fragen der Energieeffizienz mit dem Schwerpunkt der Energieanwendung in der Industrie. Es werden die folgenden Themengebiete behandelt: Betriebliche Energiesysteme, Indikatoren der Energieeffizienz, Energieanalysen in Unternehmen und Gebäuden, Energieinformationssysteme, Energieeffizienz von Querschnittstechnologien, Lastmanagement, betriebliche Energiemanagementsysteme. Einen Schwerpunkt der Lehrveranstaltung bildet die Entwicklung und Anwendung von Automatisierungssystemen für den rationellen Energieeinsatz in verschiedenen Industriezweigen.

+ Autonome Systeme

Themen:
Grundlagen Robotik (Weltmodell, Lageerkennung, Objekterkennung, Bahnplanung), Maschinelles Lernen (Probabilistische Lösungsverfahren, Überwachte Lernverfahren, Instanzenbasiertes Lernen), Agentensysteme

+ Digitale Signalverarbeitung mit FPGA

Themen:
Hardware (Programmierbare Logikbausteine, Nutzung von Evaluation Boards, Analog Digital Converter, Digital Analog Converter, Reale Abtastsysteme), Software (FPGA Tool Chain, Nios II Integrated Development Environment, VHDL), Intellectual Property (Megacore IP Library, Nios II Soft Core Prozessor, Third party IP), System on a Programmable Chip, Digitale Filter (Nicht rekursive Filter (IIR), Rekursive Filter (FIR), Festkommaarithmetik)

+ Energiemanagementsysteme

Das Wahlfach behandelt Fragen der Energieeffizienz mit dem Schwerpunkt der Energieerzeugung. Es werden die folgenden Themengebiete behandelt: Energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen, energetische Grundlagen, Energieverbundsysteme, Energiedatenmanagement, Energiecontrolling, Lastprognoseverfahren, Optimierung von Verbundsystemen, Aufbau und Funktion von Energiemanagementsystemen. Die vermittelten Methoden sind universell bei der Analyse und Optimierung verschiedener Energiesysteme anwendbar.

+ Entwurf und Simulation elektronischer Schaltungen

Themen:
Simulation elektronischer Schaltungen mit Multisim (Bedienung der Software, Bauelementdateien, Simulationsmöglichkeiten, simulierte Messgeräte, Ausdruck der Ergebnisse), Simulation von analogen und digitalen Schaltungen

+ Entwurf von Leiterplattenlayouts

Themen:
Herstellung von Layouts mit Ultiboard (Transfer der Schaltung von Multisim nach Ultiboard, Auswahl des Bauteilgehäuses, Auswahl der Leiterplattenebenen, Positionierung der Bauelemente, Verlegen der Leiterbahnen)

+ Feldbus Grundlagen

Themen:
Topologien in Kommunikationsnetzen, Notationen in Kommunikationsstandards, Referenzmodell (Layer, Dienste, PDU), Aspekte des Physical Layer (Leitungscodes, elektr. Ausprägung), Aspekte des Data Link Layer (Protokolle, Datensicherung, Buszugriffsverfahren), PhL und DLL eines konkreten Feldbus-Standards

+ Feldbusse für die Prozessindustrie

Themen:
Anforderungen an Feldbusse in der Prozessindustrie (Stromversorgung der Feldgeräte, Explosionsschutz, Realzeitfähigkeit, Funktionale Sicherheit und Verfügbarkeit), Profibus (Profibus DP, Profibus PA), Foundation Fieldbus (High Speed Ethernet, FF-H1-Bus)

+ Industrielle Bildanalyse

Themen:
Bildaufbau und Zugriff auf Bilddaten (Bildmatrix, Grauwert- und Farbbilder, Entwicklungsumgebung), Segmentierung (histogrammbasierte, flächenbasierte, kantenbasierte), Merkmalsextraktion (geometrische Merkmale, Farbmerkmale (HSI), Texturmerkmale), Klassifikation von Merkmalen (Begriffe und Grundlagen, "klassische" Verfahren, neuronale Netze)

+ Industrielle Bildverarbeitung

Themen:
Bildaufbau globale Bildeigenschaften und Zugriff auf Bilddaten, Grauwerttranformationen, Farbbildanalyse und –verarbeitung, Rang-Ordnungs-Operatoren (nichtlineare Filterung), Analyse und Verarbeitung im Frequenzbereich, Lineare Filterung im Ortsbereich, Tracking, Subpixelgenaue Kantenvermessung

+ Informationstechnik für die Automatisierungstechnik

Themen:
Anforderungen an Systeme der Betriebsführung erkennen, Anforderungen an Systeme der Instandhaltung erkennen, Anlagen Life-Cycle beschreiben, Instandhaltung nach DIN (Automatisierungs- und elektrotechnische Anlagen analysieren, Betriebe der Verfahrens- und Fertigungstechnik beschreiben), Werkzeugebenen definieren (Kennzeichnungssysteme, Asset Management Systeme, Integration in Steuerungs- und Leitsysteme, Enterprise Ressource Planning)

+ Kommunikation in der Fertigungsindustrie

Themen:
Grundlagen der Kommunikation (ISO/OSI Modell, Datensicherung, Buszugriff), Aspekte des Physical Layer von Kommunikationsstandards für die Fertigungsindustrie, Aspekte des Data Link Layer von Kommunikationsstandards für die Fertigungsindustrie, Aspekte des Application Layer von Kommunikationsstandards für die Fertigungsindustrie

+ Messsignalverarbeitung

Themen:
Industrielle Messkette, Eigenschaften einer Messeinrichtung, Analoge Messsignalverarbeitung (Idealer Operationsverstärker, Schnittstellen zwischen Messgliedern, Differenzverstärker, Nichtlineare Funktions- und Verknüpfungsgeräte), Digitale Messsignalverarbeitung (Testsignale, Diskretisierung, Z-Transformation, Digital-Analog-Wandlung, Digitale Messsignalverarbeitung in Messplätzen)

+ MikroNanoSensorik

Themen:
Sensorik (Werkstoffeigenschaften, Wandlung nicht elektrisch- elektrisch, Anwendungen), Dünnschichttechnologie (Vakuumtechnik, Plasmatechnik, Schicht- und Oberflächentechnik), Mikrotechnologie (Simulationstools, Fertigungsstrategien, Foundrieprozesse), Nanotechnologie (Fertigungstrategien)

+ Rezeptsteuerung

Themen:
Steuerungsvorgänge mit GRAFCET darstellen, Produktionsprozesse auf Rezepte abbilden, Produktionsprozesse auf Anlagen abbilden, prozessleittechnische Aufgabenstellung, Konzepte der Rezeptsteuerung nach DIN EN 61512-1 erfassen, Rezeptausprägungen und -strukturen beschreiben, Steuerungskomponenten beschreiben, Grund- und Steuerrezepte darstellen, Prozedur-Funktionspläne nach DIN EN 61512-2 erfassen

+ Schaltnetzteile

Schaltnetzteile werden heute in fast allen technischen Geräten eingesetzt, die elektrische Energie benötigen oder elektronisch gesteuert werden. Entweder wird mit Hilfe des Schaltnetzteils die Versorgungsspannung für elektronische Schaltkreise bereitgestellt (z.B. in einem Computer) oder das Schaltnetzteil ist selbst Teil eines Steuerungsprozesses (z.B. in einer Energiesparlampe). Moderne Schaltnetzteile können sich dabei selbständig an die Stromzufuhr oder an den Verbraucher anpassen (z.B. an ein 110 V oder 230 V Wechselstromnetz). Aufgrund des Betriebes bei hoher Taktfrequenz und der Verwendung speziell entwickelter Halbleiterschalter und passiver Bauelemente erfolgt die elektronische Leistungsumwandlung in Schaltnetzteilen auf kleinstem Raum und bei höchstem Wirkungsgrad. Die enorme Entwicklung der Mikroelektronik hat auch die Technologie der Schaltnetzteile wesentlich beeinflusst. ( z.B. Smart Power Integration).

In der Vorlesung "Schaltnetzteile” werden alle grundlegenden Schaltungen elektronischer Leistungswandler im Leistungsbereich bis 1kW behandelt (z.B. buck, boost, forward, flyback, halfbridge resonant inverter, etc.) und es werden vielfältige Anwendungsbeispiele vorgestellt (z.B. für Computer, Telecom, Photovoltaik, TV, "Green Products”, Konsumerbereich, ...)

Im Rahmen eines Praktikums bauen Studenten selbständig drei verschiedene Schaltnetzteile auf und überprüfen deren Funktion.

+ Sensortechnik

Themen:
Physikalische, nichtelektrische Messtechnik mit Sensoren, Sensoren mit passiven elektrischen Messgliedern (Widerstände, Kondensatoren, Spulen), Sensoren mit spannungsliefernden Messgliedern (Thermospannung, Halbleiter, Elektrochemische Spannung, Induktionsspannung), Sensoren mit strom- oder ladungsliefernden Messgliedern (Photoelektrischer Effekt, Ionisation in Gasen, Amperometrie, Piezoelektrische Sensoren, Pyroelektrische Sensoren ), Sensoren mit Übertragungs- und Schwingungssystemen (Optische Durchstrahlungsverfahren, Ultraschall-Messverfahren, Thermische Messverfahren, Resonatoren als Messaufnehmer), Messprinzipien und Messverfahren (Länge, Dehnung, Kraft, Druck, Schwingung, Drehbewegung, Durchfluss, Füllstand, Temperatur, Luftfeuchte, Ionisierende Strahlung, Radioaktivität, Stoffkonzentration)

+ Steuerungs- und Regelungstechnik El. Antriebe

Als Basiswissen für die elektrische Antriebstechnik wird zunächst der strukturierte Steuerungsprogrammentwurf gelehrt. Danach werden Grundlagen der Mechanik, der Modellbildung und Simulation schwingungsfähiger, elektrischer Antriebe vermittelt. Hierauf aufbauend wird der drehzahlvariable Umrichterantrieb am Beispiel der fremderregten Gleichstrommaschine mit Vierquadrantsteller besprochen, so dass erfahrbar wird, wie moderne Antriebe aufgebaut sind und wie sie gesteuert bzw. geregelt werden. Anschließend wird die Geschaltete Reluktanzmaschine als Beispiel für einen modernen Antrieb vorgestellt und der moderne Drehfeldantrieb präsentiert. Abschließend wird auf die Drehzahl- und die Lageregelung maschinenunspezifisch eingegangen.

Hybride Antriebstechnologie VW KäferStudentisches Projekt „Umbau eines VW Käfers (Bj. 1982) zu einem Fahrzeug mit parallelem Hybridantrieb“ (Bild: A. Lohner, FH Köln)

Module und Lehrveranstaltungen Elektrotechnik (Master)

Studienfächer

+ Höhere Ingenieurmathematik

Die Lehrveranstaltung beinhaltet die Schwerpunkte Vektoranalysis und lineare Optimierung. Im Rahmen der Vektoranalysis werden die folgenden Themengebiete behandelt: Beschreibung von Kurven und Flächen, Differenzialoperatoren, Linienintegrale, Oberflächenintegrale, Integralsätze. Die mathematischen Methoden der Vektoranalysis dienen als Grundlage zur Beschreibung physikalischer Systeme, insbesondere der Elektrotechnik. Im Rahmen der linearen Optimierung werden Fragen der mathematischen Modellbildung und der Entwicklung und Anwendung numerischer Algorithmen bearbeitet. Es werden verschiedene Optimierungsverfahren wie z.B. das Simplexverfahren vorgestellt. Mit geeigneten Werkzeugen werden numerische Simulationen durchgeführt und die numerisch berechneten Ergebnisse bewertet.

+ Projektleitung

Im Modul Projektleitung werden Fertigkeiten und Kompetenzen zum Leiten eines Teams oder eines Projektes vermittelt. Dabei stehen im Bereich Teamleitung die Punkte „Erläuterung des grundlegenden Vorgehens gegenüber den Teammitgliedern“, „Erfassen und Einordnen der Kompetenzen der Teammitglieder“ und „Vereinbarung von inhaltlichen und terminlichen Zielen“ im Vordergrund. Der Bereich Projektplanung umfasst die Punkte „Anforderungsspezifikation im Team aus dem Projektauftrag ableiten und Anforderungen priorisieren“, „Projektplan erstellen und pflegen“ und „Projektabschlussbericht verfassen“.

+ Simulation in der Ingenieurwissenschaft

In der Lehrveranstaltung werden Physikalisch- Technische Problemstellungen abstrahiert, sodass Wirkprinzipien erkannt und verstanden werden um sie anschließend mit Finite Elemente Methode (FEM) zu simulieren. Dazu werden geeignete Finite Elemente und Lösungsalgorithmen ausgewählt, FEM Simulationen angewandt und die Ergebnisse der Simulation bewertet.

+ Theoretische Elektrodynamik

Die Lehrveranstaltung erläutert die Bedeutung der Maxwell-/Material-Gleichung und leitet das elektrische/magnetische Potential/Feld aus Ladungs-/Stromverteilung her bzw. nähert dieses an. Es wird eine Potenzreihenentwicklung für elektr./magn. Potential/Feld zu Monopol-, Dipol-, Quadrupol- bis höheren Momenten abgeleitet und Kapazität/Induktivität aus Ladungs-/Stromverteilung und elektro-/magnetostat. Energie hergeleitet. Die Kontinuitätsgleichung / Kirchhoff'sche Gesetze und die Diffusions-/Wellengleichung für elektr./magn. Feld werden aus den Maxwell-Gleichungen abgeleitet und makroskopische Probleme aus mikroskopisch /differentieller Beschreibung durch Integration gelöst.

+ Forschungsseminar

Im Modul Forschungsseminar wird ein individuelles Forschungsthema im Zusammenhang mit einer übergeordneten ingenieurwissenschaftlichen Problemstellung bearbeitet. Dabei wird das Thema inhaltlich analysiert, abgegrenzt, strukturiert und geordnet um anschließend entsprechende Maßnahmen, wie z.B. Experimente, zur wissenschaftlichen Beantwortung der Forschungsproblemstellung durchzuführen. Fehlende Kenntnisse sollen durch selbständiges Recherchieren erarbeitet und der Forschungsfortschritt und die Ergebnisse präsentiert und im wissenschaftlichen Diskurs verteidigt werden.

Pflichtmodule Schwerpunkt Automatisierungstechnik

+ Qualitätsgesteuerter Entwurf komplexer Softwaresysteme

In der Lehrveranstaltung werden die wesentlichen Begriffe der qualitätsgesteuerten Entwicklung komplexer technischer Softwaresysteme, Methodische Ansätze zur qualitätsgesteuerten Wiederverwendung von Softwareartefakten für den zielgerichteten Entwurf von Architekturen verteilter technischer Softwaresysteme und der Aufbau, die Nutzung, und Vorteile und Herausforderungen von Verteilungsarchitekturen diskutiert.
Hierdurch erlangen die Studierenden verschiedene Fertigkeiten, wie das Einsetzen wiederverwendbarer Softwareartefakte zur Gestaltung komplexer Softwaresysteme, das Analysieren von Verteilungsarchitekturen und das Vergleichen von Verteilungsarchitekturen hinsichtlich Einsatzmöglichkeiten und struktureller Vorgaben.

+ Prozessautomatisierung

Prozessautomation zielt auf verfahrenstechnische Prozesse. Hierbei geht es darum, Steuerung und Regelung soweit wie möglich Automatisierungseinrichtungen zu überlassen und menschliche Eingriffe weitgehend zu reduzieren. Diese Prozesse zeichnen sich im Vergleich zur Fertigungstechnik dadurch aus, dass man den Prozessverlauf nicht sehen kann und daher auf Daten aus dem Prozess angewiesen ist. Dies bedingt zunächst Schnittstellen zwischen Prozess und Automatisierungseinrichtung:
Zur Informationsgewin­nung benötigt man Sensorsysteme, zum Beeinflussen von Energie- und Materieströmen Aktorsysteme, welche jeweils in anderen Vorlesungen (insbesondere Prozessleittechnik) behandelt werden. Die aus dem Prozess gewonnenen Informationen werden zum Steuern der Produktion ausgewertet und können dazu dienen, die Prozessverläufe mit Hilfe von Modellen zu beschreiben und die Produktions­führung optimal zu gestalten. Dies geschieht mit Methoden der Steuerungs- und Regelungs­technik, welche sich vorteilhaft auf diese Modelle abstützen.

+ Zustandsregelung

Das Modul „Zustandsregelung“ behandelt folgende Themen:
• Abtastung, Quantisierung beschreiben
• zeitdiskrete Systeme im Zeitbereich beschreiben
• zeitdiskrete Systeme im Bildbereich beschreiben
• Stabilität und Lage der Pole der Übertragungsfunktion analysieren
• Zustandsraumbeschreibung eines Systems (Zeitkontinuierlich und Zeitdiskret)
• Auf Normalformen transformieren
• Stabilität, Steuerbarkeit, Beobachtbarkeit ermitteln
• Zustandsregler nach Polvorgabe entwerfen
• Optimalen Zustandsregler entwerfen
• Vorfilter und Störkompensator entwerfen
• Beobachter nach Polvorgabe entwerfen
• Optimalen Beobachter entwerfen
• Erstellung von Modellen aus physikalischen Betrachtungen
• Auswahl geeigneter Zustandsgrößen
• Durchführung der Simulation dynamischer Systeme

Darüber hinaus sind für alle Schwerpunkte frei wählbare Wahlmodule wie z.B. Elektrische Fahrzeugantriebe oder Mikro- und Nano-Systemtechnik zu belegen.

 
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