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Steuerungstechnik

Arbeitsblatt 1 Literatur Stand Okt. 2009

0. Literatur

[1] Wellenreuther, Günther und Dieter Zastrow: Automatisieren mit SPS; Theorie und Praxis Braunschweig/Wiesbaden: Vieweg & Teubner, 4. Aufl. 2008. Wellenreuther, Günther und Dieter Zastrow: Automatisieren mit SPS - Übersichten und Übungsaufgaben Braunschweig/Wiesbaden: Friedr. Vieweg & Sohn, 4. Aufl. 2009. Adam, Hans-Joachim und Adam, Mathias: SPS: programmieren in Anweisungsliste nach IEC 1131-3; eine systematische und handlungsorientierte Einführung in die strukturierte Programmierung. Aachen: Elektor, 1998. Andratschke, Wolfgang: Steuern und Regeln mit SPS. Grundlagen und Anwendungen. München: Franzis Verlag, 1990. Auer, Peter: SPS-Praktikum; Step5-, Step7- und IEC1131-Syntax. Leipzig: Fachbuchverlag 2002. Auer, Adolf: Steuerungstechnik und Synthese von SPS-Programmen. Heidelberg: Hüthig Buchverlag 1994. Auer, Adolf: SPS - Aufbau und Programmierung. Heidelberg: Hüthig; 1996. Auer, Adolf: SPS - Programmierung. Beispiele und Aufgaben. Heidelberg: Hüthig; 1994. Auer, Adolf: LOGO! - SPS von Siemens. Isny: Verl. Aktive [email protected], 2005. Berger, Hans: Automatisieren mit SIMATIC.

Controller, Software, Program m ierung, Datenkom m unikation, Bedienen und Beobachten;

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Erlangen: Publicis Corporate Publ., 2006. [11] Berger, Hans: Automatisieren mit STEP 7 in KOP und FUP. Erlangen, Publicis Publicis Corporate Publ., 2008. Berger, Hans: Automatisieren mit STEP 7 in AWL und SCL. Erlangen: Publicis Corporate Publ., 2009.

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Steuerungstechnik

Arbeitsblatt 1A Literatur

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Berger, Hans: Automatisieren mit SIMATIC S5 - 155 U. Berlin, München: Siemens-Aktiengesellschaft, 1992. Bernstein, Herbert: SPS-Workshop mit Programmierung nach IEC 61131-3 mit vielen praktischen Beispielen ; mit 2 CD-ROM (Vollversionen). Berlin ; Offenbach: VDE-Verlag 2007. Bernstein, Herbert: Soft-SPS für PC und IPC: Grundlagen moderner SPS-Sprachen, Hard- und Software für SPS-Anlagen auf PC- und IPC-Basis, Netzwerke und Feldbussysteme mit interaktiver Lernsoftware. Berlin; Offenbach: VDE-Verlag 1999. Braun, Werner: Speicherprogrammierbare Steuerungen. praxisnahe Aufgaben und Lösungen mit STEP7; Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg Verlag, 2005. Wenzl, Ludwig: Simatic S7 - Step 7, Praxistraining. Braunschweig, Westermann, 2006. Feindt, Ernst-Günter: Entwurf und Simulation industrieller Steuerungen für den PC und die SPS. München, Wien: Oldenbourg Verlag 1997. Uhlig, Reiner: SPS - Modellbasierter Steuerungsentwurf für die Praxis. München: Oldenbourg. 2006. Friedrich, Alfred: Mit SPS erfolgreich automatisieren. Poing: Franzis,1994. Fritz, Wolfram: Regelungstechnik mit SPS. Würzburg: Vogel Buchverlag, 1991. Grötsch, Eberhard: SPS: Speicherprogrammierbare Steuerungen als Bausteine verteilter Automatisierung. München, Wien: Oldenbourg Industrieverlag 2004. Grötsch, Eberhard und Ludwig Seubert: SPS: Programmbeispiele und Produkte München, Wien: Oldenbourg Industrieverlag 1996 bzw. 1997.

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Steuerungstechnik

Arbeitsblatt 1B Literatur

Habermann, Matthias und Torsten Weiß: STEP 7- Crashkurs. Extended ; Einführung und Vertiefung in die STEP-7-Programmiersprache Berlin, Offenbach: VDE-Verlag 2006. John, Karl-Heinz und Michael Tiegelkamp: SPS-Programmierung mit IEC 61131-3. Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 200. Kaftan, Jürgen: SPS-Grundkurs mit Simatic S7. Würzburg: Vogel Buchverlag, 2001. Kaftan, Jürgen: SPS-Aufbaukurs mit Simatic S7. Würzburg: Vogel Buchverlag, 2. überarb. Auflage 2006. Kaftan, Jürgen: SPS-Beispiele mit SIMATIC S7. Würzburg: Vogel Buchverlag, 2006. Niessen, Bernd: SPS-EURO-Programmierung, IEC 1131-3 Step7 - Siemens. Neusäß: Kieser Verlag, 1998. Gießler, Walter: Simatic S7; SPS-Einsatzprojektierung und -Programmierung. Berlin, Offenbach: VDE Verlag, 2005. Zacher, Serge: SPS-Programmierung mit Funktionsbausteinsprache. Berlin, Offenbach: VDE Verlag, 2000. Pusch, Karl: Grundkurs IEC 1131; Programmbeispiele für die Prozessautomatisierung. Würzburg: Vogel Buchverlag, 1999. Lepers, Heinrich: SPS-Programmierung nach IEC 61131-3 mit Beispielen für CoDeSys und Step7. Poing: Franzis Verlag, 2005. Seitz, Matthias: Speicherprogrammierbare Steuerungen: System- und Programmentwurf für die Fabrik- und Prozessautomatisierung, vertikale Integration; Leipzig: Carl-Hanser-Verlag, 2008. http://www.wuekro.de/produkte_frame.asp?qs=weiter%3D1%26id%3D449 Produkte > Automatisierungstechnik > Kostenlose Lehrmodule B: Grundlagen - STEP 7 C: Weitere Funktion - STEP7 D: Schrittkettenprogrammierung E: Industrielle Feldbussysteme F: Prozessvisualisierung G: Basiswissen

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Arbeitsblatt 2 Einführung Grundbegriffe

1. Einführung

1.1.Grundbegriffe

, Nach DIN 19226 ist Steuern: "Steuern ist ein Ablauf in einem System, bei dem eine oder mehrere Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. Kennzeichnend ist der offene Wirkungsablauf ." 3 offene Steuerungen (Steuern im engeren Sinne) daneben gibt es aber auch 3 geschlossene Steuerungen mit Signalrückführung z.B. Regelungen und auch noch weitere Formen geschlossener Steuerungen. Steuern 3 zielgerichtete Einflussnahme auf einen Prozess. damit Oberbegriff für jegliche Automatisierung von technischen Prozessen.

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Technischer Prozess: ,,Ein Vorgang zur Umformung, zum Transport oder zur Speicherung von Materie, Energie oder Information."

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Arbeitsblatt 3 Einführung Einordnung der SPS

1.2. Einordnung der SPS

Der Prozesscharakter bestimmt die überwiegend eingesetzten Automatisierungsgeräte und Algorithmen. Nach der Struktur des Verarbeitungsgutes und den wesentlichen Prozessgrößen unterscheidet man: < kontinuierliche Vorgänge (Fließprozesse), wenn Flüssigkeiten und Gase (Kontinuum) verarbeitet werden, z.B. verfahrenstechnische Prozesse in der chemischen Industrie, Energieerzeugung in Kraftwerken, Kläranlagen, Heizungs- und Klimatechnik u.a. Bei ihnen dominieren analoge Prozessgrößen (Druck, Temperatur, pH-Wert), so dass überwiegend analoge Signale anfallen; typisch sind kontinuierliche Regelvorgänge und binäre Steuerungen , Prozessleittechnik diskontinuierliche Vorgänge (Stückgutprozesse), wenn Einzelteile (Werkstücke) verarbeitet werden, z.B. Bearbeitung von Werkstücken in der Fertigungstechnik, Montage von Einzelteilen im Maschinenbau, Fahrzeugbau u.a. Bei ihnen dominieren diskrete Prozessgrößen (Wege, Winkel, Stückzahlen), so dass überwiegend digitale Signale anfallen, typisch ist die numerische Verarbeitung dieser Daten und binäre Steuerungen , Fertigungsleittechnik sequentielle Prozesse (Chargenprozesse), stehen zwischen beiden Prozessklassen, es werden Teilmengen eines kontinuierlichen Verarbeitungsgutes nach einem bestimmten Ablaufplan verarbeitet, z.B. Arzneimittel-, Kosmetikherstellung, Lebensmittelindustrie u.a.. Bei ihnen dominieren analoge Prozessgrößen und zeitliche Bedingungen; typisch sind binäre Steuerungsabläufe (häufig nach einem Zeitplan) aber auch kontinuierliche Regelvorgänge.

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Wesentlicher Aspekt bei der Auswahl des Automatisierungsgerätes/ -systems sind Umfang, Schwierigkeitsgrad und Komplexität der Steuerungsaufgaben: < Maschinen- und Geräteautomatisierung Geräte, in denen meist räumlich abgeschlossene Einzelprozesse bei relativ festem Funktionsumfang ablaufen, wenige Bedienfunktionen, z.B.: Geldautomat, Waschmaschine, Kamera u.a.; eingesetzt werden: Einchip-Mikrorechner (meist 8bit), Controller, Einkartenrechner, Klein-SPS, ASIC's. Geräte/Maschinen, räumlich abgeschlossen, aber mit flexiblem Aufgabenbereich, benötigt werden viele Bedienfunktionen und Programmiermöglichkeiten, z.B.: NC-Maschinen, Roboter, Bestückungsautomaten u.a; eingesetzt werden: PC mit ausgebauter Nutzerkommunikation, im Verbund mit Einkartenrechnern, SPS, Controllern. < Anlagenautomatisierung umfangreiche Industrieanlagen, in denen sich sehr viele Teilprozesse abspielen, sie werden in der Regel ständig vom Betriebspersonal beobachtet und überwacht: Kraftwerke, Chemieanlagen Rechnerverbundsysteme mit integrierten Fertigungslinien / -zellen SPS-Funktionen und Kompaktreglern als PNK

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mit SPS

Arbeitsblatt 4 Einteilung der Steuerungen

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mit SPS

Arbeitsblatt 5 Technische Realisierung von Binärsteuerungen

1.3. Technische Realisierung von Binärsteuerungen

Verarbeitet werden nur binäre Signale, d.h. nur die zwei Zustände: HIGH oder LOW. Die binäre Signalverarbeitung ist gekennzeichnet durch logische Verknüpfungen: UND, ODER, NICHT, Speicherglieder und Zeitglieder. Dabei sind logische Entscheidungen zu treffen, die von der Erfüllung bestimmter Bedingungen oder Zustände abhängen. Mathematische Grundlage ist die Schaltalgebra oder BOOL `sche Algebra. Bis 1960 wurden vorrangig elektromechanische Funktionseinheiten wie Relais, Schützen, Zeitrelais, Schrittschaltwerke (RELOG); aber auch mechanische, pneumatische (Dreloba), oder hydraulische eingesetzt. Pneumatische Einheiten sind explosions- und korrosionssicher. Seit den 60er Jahren wurden Binärsteuerungen verstärkt durch kontaktlose Schalter: < Dioden - Transistor - Logik (DTL) und < Transistor - Transistor - Logik (TTL) realisiert. Mit ihnen werden höhere Schaltfrequenzen und höhere Zuverlässigkeit erreicht, da keine Kontakte vorhanden sind. Von Verbindungsprogrammierten Steuerungen spricht man, seitdem logische Funktionen in gekapselten Blockbausteinen, sogn. Bausteinsystemen, gefertigt werden. < KME 3: Widerstandsnetzwerk auf Glassubstrat aufgedampft und Miniplasttransistoren, < KME 10: bis zu zwei NOR Funktionen in einem "Schaltkreis", < Blockbausteinsystem TRANSLOG: < elektronische Kartenbaugruppen ursalog 4000 in 80'er Jahren . Seit dem Ende der 60'er Jahre werden < Schaltkreise für Logikfunktionen angeboten. Je nach Herstellungs- und Schaltungskonzept haben sich verschiedene Schaltkreisfamilien herausgebildet; die wichtigsten: TTL-Familie (Transistor - Transistor - Logik), ausgereifte Technologie, Schottky - TTL, ab 1969, LOW - POWER - Schottky - TTL , ab 1971, haben geringere Leistungsaufnahme. Bei gleicher Leistungsaufnahme sind TTL-Schottky Schaltkreise doppelt so schnell. CMOS - Technik (Complementäre MOS - Technik) Technologie seit Mitte der 80er Jahre ausgereift, Betriebsspannung 3 ... 15V, die Signalpegel sind von der Betriebsspannung abhängig und daher nicht einheitlich. Die Verlustleistung ist von der Schaltfrequenz abhängig, da beim Signalwechsel Energie verbraucht wird. In allen Schaltkreisfamilien existiert ein umfangreiches Typensortiment an logischen Grundschaltungen und Funktionsgruppen. Der Anwender entwickelt die Steuerschaltung und setzt sie aus dem Schaltkreissortiment zusammen.

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mit SPS

Arbeitsblatt 6 Realisierung logischer Verknüpfungen

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mit SPS

Arbeitsblatt7 Realisierung logischer Verknüpfungen

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mit SPS

Arbeitsblatt 8 Binärsteuerungen ASIC

Für die Integration sind durch die Anzahl der Anschlüsse Grenzen gesetzt. Wird noch höhere Integration gewünscht, kommt der Anwender mit der fertigen Schaltung und lässt danach einen Schaltkreis fertigen: => Kundenwunschschaltkreis ASIC (Application specific integrated circuit) man erreicht höhere Integration, und dadurch weniger Verlustleistung, weniger Raumbedarf, weniger Masse, geringere Schaltzeit, höhere Zuverlässigkeit, höhere Funktionalität. Für steuerungsspezifische Anwendungen sind drei wesentliche Gruppen zu unterscheiden: < Der Vollkundenwunschschaltkreis wird vollständig für eine bestimmte Funktion entwickelt. Sämtliche Masken sind für diese feste Funktion spezifisch. Man erreicht die beste Ausnutzung des Chip's aber die Entwicklung ist sehr langwierig und kostenintensiv! und ist deshalb nur bei sehr hohen Stückzahlen (>1/2 Mill.) wirtschaftlich; z.B. bei Massenkonsumgütern wie Uhren, Taschenrechnern u.a. nachträgliche Änderungen sind praktisch nicht mehr möglich! < Semikundenwunsch-IC, seit ca. 1985 Um den Maskenentwurf für den Schaltkreis zu erleichtern, werden vom Halbleiterhersteller häufig auftretende Standardschaltungen als sogn. Zellen in einer Modulbibliothek angeboten. Das Chip wird aus diesen einzelnen, vorgetesteten Zellen gemäß dem Kundenwunsch modular zusammengesetzt. Bei diesen Zellen-IC´s unterscheiden sich: < Standardzelle: alle Zellen sind gleich groß, < Makrozelle: Zellen sind unterschiedlich groß, auch Prozessoren integriert. Schaltungsentwicklung und Maskenentwurf für den Schaltkreis übernehmen Servicefirmen, sogn. SCC (Support and Competence Centre). Zur Schaltungsprüfung wird die entworfene Schaltung auf PC simuliert; wichtig ist, das Echtzeitverhalten zu testen, sogn. Timingsimulation, um Hazards auszuschließen. Für die klein- und mittelständische Industrie wird aus Kostengründen der sogn. Multiprojekt-Wafer empfohlen. Dabei befinden sich mehrere, verschiedene Schaltkreise auf einem Wafer, so dass sich die Firmen die hohen Einmalkosten für den Wafer teilen. Die einfachste Form des Semikundenwunsch-IC sind GATE ARRAY's. Vom Schaltkreishersteller wird eine Matrix von Logikgattern, die untereinander noch nicht verbunden sind, gefertigt. Die Verbindung (Verdrahtung) gemäß der kundenspezifischen, gewünschten Schaltung wird als letzte Schicht durch Metallisierung aufgebracht: , letzte Maske beim Hersteller. Der Ausnutzungsgrad ist daher nicht so gut wie beim Vollkundenwunsch-IC, aber die Herstellung ist deutlich kürzer und kostengünstiger, deshalb sind Gate Array's ab 100 Stück pro Typ geeignet. Ca. 20 bis 50 Bausteine in TTL- oder CMOS-Technik gehen auf ein kleineres Gate Array. Aber es wird 10 bis 100 mal weniger Leistung verbraucht, Angeboten werden inzwischen Bauelemente mit bis zu 250.000 Gatterfunktionen

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Arbeitsblatt 9 Programmierbare Logikbausteine

Programmierbare Logikbausteine

(PLD - programmable logic device)

die logischen Verknüpfungen sind vom Hersteller vorgefertigt, die logischen Verbindungen gemäß der gewünschten Schaltung werden vom Anwender in einem Koppelfeld selbst festgelegt (eingebrannt), ähnlich wie beim Beschreiben eines EPROM's oder PROM's. Damit entfällt die aufwändige Maskenherstellung. Programmierbare Logikbausteine werden als Standardbauelemente von vielen IC-Herstellern pin- und funktionskompatibel angeboten. Der Anwender kann bei der Schaltungsentwicklung auf die klassischen Beschreibungsmethoden (Bool'sche Gleichungen, Karnaugh-Tafel, Schaltpläne, Zustandsdiagramme u.a.) zurückgreifen und wird durch effektive Softwarewerkzeuge bei der Assemblierung, Echtzeitsimulation und Schaltungsprüfung unterstützt. Zu unterscheiden sind: < einmal programmierbare Logikschaltungen, häufig als PAL - Programmable Array Logic bezeichnet, und < wiederprogrammierbare Logikschaltungen, häufig als GAL - Generic Array Logic bezeichnet. Die wichtigsten Typen sind: - PLA (Programmable Logic Array) - FPGA (Field programmable GATE ARRAY), - FPLA (Field programmable Logic Array), - CPLD (Complex programmable Logic Device) Nebenstehendes Bild zeigt das Grundprinzip eines PLA. Die Eingangssignale I1 , I2 führen auf Eingangspuffer, durch die die Matrix entkoppelt wird und die invertierten Signale bereitgestellt werden. Über die Programmbrücken F1 bis F8 sind die UND-Gatter angeschlossen, deren Ausgänge auf ODER-Glieder führen. Bei der Programmierung werden diese Programmbrücken vom Anwender kundenwunschgemäß nach dem Fuse-Link-Verfahren weggeschmolzen. Beim FPLA ist obendrein auch noch die ODER-Matrix programmierbar.

Empfehlung: Den Prototyp als FPGA fertigen und später danach ein Gate Array für die Serienfertigung einsetzen. Beide haben gleiche Entwurfswerkzeuge: HDL (Hardware Description Language). Der Vorteil dieser Entwurfsverfahren ist, dass die Schaltungsentwicklung weitgehend bei der Firma bleibt und so das firmenspezifische Knowhow geschützt ist.

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mit SPS

Arbeitsblatt 9A Programmierbare Logikbausteine

Das folgende Bild zeigt in vereinfachter Darstellung das Schaltbild eines PLA mit vier Eingängen und zwei Ausgängen.

Übungsaufgabe An einer Transportanlage können vier Zuförderbänder ein Abförderband beschicken. Dieses kann aber nur die Menge von zwei Zuförderbändern aufnehmen, daher soll das Einschalten von mehr als zwei Bändern gesperrt werden. Diese Sperre erfolgt durch die Unterbrechung der Zuleitung der Einschaltsignale. Stellen Sie die Schaltbelegungstabelle und den KARNAUGH -Plan für die Einschaltsperre auf und leiten Sie daraus die vereinfachte Schaltfunktion ab. Entwickeln Sie die Verriegelungsschaltung in allgemeinen Symbolen und realisieren Sie diese durch PLA-Bausteine. Hinweis: Die Einschaltsperre soll wirksam sein, wenn zwei Bänder laufen!

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Arbeitsblatt10 SPS Übersicht

1.4. Speicherprogrammierbare Steuerungen

sind seit Anfang/Mitte der 80er Jahre im Einsatz und stellen heute das meist verwendete prozessnahe Automatisierungsmittel dar. Ursprünglich waren sie nur für die Ablösung von Binärsteuerungen gedacht, heute sind sie als ein anwendungs- oder problemorientierter Computer für praktisch alle Anwendungsaufgaben einsetzbar. SPS: 3 Computer für Steuerungstechnik 3 ein anwendungs- oder problemorientierter Computer, der für praktisch alle Anwendungsaufgaben einsetzbar ist. 3 nach DIN IEC 1131, Teil 1: " Ein digital arbeitendes elektronisches System für den Einsatz in industriellen Umgebungen mit einem programmierbaren Speicher zur internen Speicherung der anwenderorientierten Steuerungsanweisungen zur Implementierung spezifischer Funktionen wie z. B. Verknüpfungssteuerung, Ablaufsteuerung, Zeit-, Zähl- und arithmetische Funktionen, um durch digitale oder analoge Ausgangssignale verschiedene Arten von Maschinen und Prozesse zu steuern. Die Speicherprogrammierbare Steuerung und die zugehörigen Peripheriegeräte sind so konzipiert, dass sie sich leicht in ein industrielles Steuerungssystem integrieren und in allen ihren beabsichtigten Funktionen einsetzen lassen." Vorteile: , Kundenfreundlichkeit: einfache Programmierung durch den Anwender, da sie an Bekanntes (Kontaktplan, Funktionsplan) anknüpft und die zyklische Arbeitsweise bereits vom Betriebssystem unterstützt wird. , Änderungsfreundlichkeit: Programmänderungen sind während und nach der Inbetriebnahme ohne weiteres möglich; einfache Programmvervielfältigung sowie effektive, übersichtliche Programmdokumentation sind möglich; , Raumbedarf verglichen mit VPS gering, außer bei ASIC's; , Komfortabler Einsatz robuste, industrielle Bauweise; gekapselte Baugruppen, lüfterloser Betrieb; konstruktiv fertig zum Anklemmen / Verkabeln , hohe Zuverlässigkeit Heute gibt es über 100 Anbieter eines breiten SPS - Gerätesortiments mit immer höherer Leistungsfähigkeit durch bessere Prozessoren mit höherer Taktfrequenz und Hochleistungsprozessoren. Ursprünglich wurde nur ein Bitprozessor eingesetzt, später kam ein Wortprozessor hinzu, so dass auch Wortverarbeitung und Arithmetikfunktionen möglich wurden. Heute können komplexe, sehr rechenintensive Funktionen erfüllt werden. Für die Leistungsfähigkeit einer SPS sind Speichergröße, Zykluszeit sowie ihre Funktionalität maßgebend. Hohe Funktionalität bei hoher Kompaktheit wird durch ASIC's erreicht, dies sind vorrangig Prozessoren für Regelfunktionen und zur Schnittstellenbedienung. Die leistungsfähige SPS mit Arithmetik und Analogwertverarbeitung konnten damit in den Aufgabenbereich des klassischen Prozessrechners eindringen.

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Arbeitsblatt 11 SPS Übersicht

Mit dem Aufkommen von kostengünstigen Bussystemen konnten sich dezentrale Automatisierungsstrukturen durchsetzen, so dass die Entwicklung der SPS im oberen Leistungsbereich eher stagniert. Typischerweise füllen SPS die Nische im unteren und mittleren Leistungsbereich aus. In heutigen Automatisierungssystemen bestehend aus SPS und IPC werden die SPS mehr prozessnah und der PC eher übergeordnet /datenverarbeitend eingesetzt, z.B. als prozessnahe Komponente in Prozess- bzw. Fertigungsleitsystemen. Dafür muss ein durchgängiger Datentausch zwischen den einzelnen Automatisierungskomponenten und -ebenen gewährleistet sein, d.h. die Kommunikationsfähigkeit bzw. Vernetzbarkeit der SPS`en gegeben sein und zwar 3 zwischen den einzelnen SPS und anderen PNK, 3 zu übergeordneten PC's, 3 zu Prozessvisualisierungseinrichtungen 3 intelligenten Sensoren und Stellgliedern. 1.4.1. Typische Hardwaremerkmale von SPS Im unteren Leistungsbereich dominiert die Kleinsteuerung: , kompakte Bauweise (ca.` faustgroß`) , unter 10 Eingänge/Ausgänge , Programmierfunktionen (AWL) sind häufig schon integriert , preisgünstig , Einsatz für kleinere industrielle Anlagen z.B. für Kleinmaschinen, in der Hausund Installationstechnik, aber auch als Einzelkomponente in dezentralen Automatisierungslösungen. Im mittleren und oberen Leistungsbereich dominiert die SPS in modularer Bauweise, so dass die jeweils gewünschte Funktionalität aus einem Baugruppensortiment konfiguriert werden kann: , Rahmen mit Rückverdrahtung , Stromversorgung , CPU Die Zentraleinheit enthält Standard-Prozessoren, Eigenentwicklungen der Hersteller oder ASIC's, oft werden Co-Prozessoren für rechenintensive Teilaufgaben wie Regeln, Zählen, Positionieren oder Kommunizieren eingesetzt. , Peripheriebaugruppen, werden i.d.R. für verschiedene Spannungspegel (24V, 60V, 110V, 230V) angeboten , Funktionsmodule , wie z.B. Achsenpositionierung, Einzelachssteuerung, schnelle Zähler, Analogwertverarbeitung, PID-Reglerfunktionen, Kommunikation zu verschiedenen Bussystemen, Module für Bedienen und Beobachten, Visualisieren, Fuzzy - Module. , Speicher i.d.R. konfigurierbar, d.h. wie viel EPROM/EEPROM, RAM häufig durch Festspeicher erweiterbar Rotierende Speicher werden bei SPS praktisch nicht eingesetzt! Von diesen Baugruppen erwartet man , im geschlossenen Gehäuse/voll gekapselt untergebracht , geeignet für lüfterlosen Betrieb , robust gegen mechanische Beanspruchung/Erschütterung , robust gegen thermische Belastung ( . . . 70 EC) , gutes EMV-Verhalten Die Modularität geht damit viel weiter als bei Rechnersystemen!

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Arbeitsblatt 12 SPS Übersicht

Die Entwicklung der großen SPS-Systeme stagniert eher, da · die Aufgaben übersichtlicher durch mehrere kleine oder mittlere SPS gelöst, · oder zunehmend durch Industrie-PC (IPC) übernommen werden, die inzwischen gleich preiswert sind aber dafür die ganze Palette an Standardsoftware (Datenbanken, Tabellenkalkulation usw.) zur Verfügung stellen. PC-basierte Steuerungen: · Slot-SPS: SPS als Karteneinschub im IPC, mit eigenem Betriebssystem · Soft-SPS: SPS-Arbeitsweise als Unterprogramm im (I)PC Da jede Stillstandszeit Produkt- und damit Gewinnausfall u.U. auch Prozessgefährdung bedeutet, muss der Erhöhung der Zuverlässigkeit verstärkte Aufmerksamkeit entgegen gebracht werden. Die Verfügbarkeit kann erhöht werden durch: · redundanten Hardwareeinsatz (doppelte Zentraleinheiten, doppelten Systembus, redundante E/A-Ebene), · schnelle Fehlererkennung durch spezielle Eigendiagnoseeinrichtungen, · konsequente 2 aus 3 - Verarbeitung oder · im laufenden Betrieb auswechselbare Baugruppen, Mittlerweile gibt es hochverfügbare, vom TÜV geprüfte und bescheinigte SPS, z.B. werden bei 192 digitalen Eingängen und 96 Ausgängen bis zu 18,75 Jahre MTBF (Meantime between failure) erreicht. Für die Auswahl einer SPS sind neben der Funktionalität und dem Preis-Leistungsverhältnis auch Entwicklungslinien, Herstellerservice, Kundenberatung u.a. entscheidend Aspekte und Kriterien bei der Auswahl von SPS: < < Firmenstrategie/-Tradition: "Wildwuchs" vermeiden, Erfahrung, Ersatzteilhaltung; mechanischer Aufbau: Einbaugröße, Schutzgrad, Temperaturbereich, EMVVerhalten, Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen, Staub, Schmutz, Erschütterungen Sicherheit der E/A-Baugruppen: gegen Überspannungen, Kurzschlussfestigkeit, galvanische Trennung, Austauschbarkeit der Module im laufenden Betrieb; Verhalten der Steuerung bei Störungen: bei Spannungsausfall, Wiederanlauf nach Spannungsausfall, Verhalten bei STOP der CPU, Welche Kommunikationsmöglichkeiten bestehen bei CPU-STOP ? Verhalten bei Programmänderungen: Sind on-line Programmänderungen bei laufendem Programm möglich? Programmierung: Welche Programmiersprachen sind einsetzbar? Ist symbolische Adressierung möglich? Sind Zuordnungslisten aus Datenbanken o. ä. übertragbar? Wie ist die Zugangsberechtigung geregelt?

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Arbeitsblatt 12A SPS Übersicht

1.4.2. Gerätefamilie bei SIEMENS · · im untersten Leistungsbereich: LOGO im unteren Leistungsbereich: S7-200, Programmiersoftware Step7 Micro/Win

·

im unteren und mittleren Leistungsbereich S7-300

·

im mittleren und oberen Leistungsbereich S7-400

Weitere Gerätefamilien verschiedener Hersteller siehe Marktübersichten.

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Arbeitsblatt 13 SPS-Programmierung

1.4.3. Der SPS-Standard IEC 61131

Die Programmierung von SPS ist leider nicht einheitlich sondern herstellerabhängig, so dass sich zunächst eine Vielzahl von Sprachdialekten entwickelt hatte. Erst seit 1992 existiert die SPS-Norm EN 61131, die auf der IEC 61131 basiert, sie hat sich bei Neuentwicklungen von SPS zügig durchgesetzt, 2003 erschien eine Überarbeitung. Teil 1: Allgemeine Informationen allgemeine Begriffsbestimmungen und typische Funktionsmerkmale und Eigenschaften von SPS. aktuelle Ausgabe: 2004-03 Betriebsmittelanforderungen und Prüfungen elektrische, mechanische und funktionelle Anforderungen an die Geräte, Typenprüfungen, Umgebungsbedingungen und Beanspruchungsklassen. aktuelle Ausgabe: 2004-02 Programmiersprachen Legt durch formale Definitionen, sowie lexikalische und syntaktische Beschreibungen das grundlegende Softwaremodell und die Programmiersprachen fest. aktuelle Ausgabe: 2003-12 Anwenderrichtlinien Unterstützt den SPS-Anwender in den einzelnen Projektphasen von der Systemanalyse über die Geräteauswahl bis zur Wartung. aktuelle Ausgabe: 1996-04 Kommunikation von SPS-Geräten unterschiedlicher Hersteller miteinander und mit anderen Geräten, z.B. PC. Dabei werden die Funktionen wie Geräteanwahl, Datentausch, Alarmverarbeitung, Zugriffskontrolle und Netzwerkkontrolle behandelt. aktuelle Ausgabe: 2001-11 Funktionssicherheit noch in Bearbeitung Fuzzy-Control-Programmierung aktuelle Ausgabe: 2001-11 Richtlinien zur Anwendung und Implementierung der Programmiersprachen aktuelle Ausgabe: 2003-09

Teil 2:

Teil 3:

Teil 4:

Teil 5:

Teil 6: Teil 7: Teil 8:

SPS-Hersteller- und Softwarehäuser haben 1992 die Interessengemeinschaft PCLopen gebildet mit dem Ziel: , , , die Durchsetzung der IEC 61131-3 zu unterstützen. die Wiederverwendbarkeit und Austauschbarkeit von Programmkomponenten zwischen den Programmiersystemen zu unterstützen. Industriesoftware auf Konformität zu prüfen und zu zertifizieren, dazu wurden verschiedene Zertifizierungsstufen eingeführt: Base Level: die wesentlichen Sprachelemente der IEC 61131-3 müssen vorhanden sein. Reuseability Level: die wesentlichen Datentypen entsprechen sich untereinander Conformity Level: Austausch von Softwarebausteinen zwischen den ProgrammierSystemen ist möglich Dabei gibt es aber eine Reihe von Schwierigkeiten für die Portabilität der Programme, denn die Hersteller realisieren nicht alle Details der Norm, IEC 61131-3 lässt viele Optionen zu, z. B. sind bisher keine Dateiformate für den Programmaustausch festgelegt.

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Arbeitsblatt 13 A SPS-Einführung

Die inhaltlichen Schwerpunkte und Festlegungen der IEC 61131-3 sind: , Struktur eines Steuerungsprojektes: Hauptebene = Konfiguration z.B. eine komplette oder mehrere vernetzte SPS Elemente = Ressource z.B. eine einzelne CPU Programme und Tasks innerhalb einer Ressource. Stukturierung der Programme in Programm-Organisationseinheiten (POE) in Funktionen (FC), Funktionsbausteine (FB) und Programm (Hauptprogramm OB) Diese Einheiten sollten ihre eigenen Daten kapseln und dürfen nur über klar definierte Schnittstellen miteinander kommunizieren. Standardfunktionen und Standard-Funktionsbausteine Definition neuer, abgeleiteter Funktionen und Funktions-Baustein-Typen Deklaration und Initialisierung von Variablen, Festlegungen zu Datentypen und Datenformaten

,

, , , ,

Nach der Norm werden fünf Sprachen definiert: Step 7 , KOP (Kontaktplan), LD (ladder diagramm) KOP , FBS (Funktionsbausteinsprache), FBD (function block diagramm) FUP , AWL (Anweisungsliste), STL (statement list), IL (instruction list) AWL , AS (Ablaufsprache), SFC (sequential function chart) GRAPH7 , ST (strukturierter Text), SCL (structured control language) SCL

Etliche dieser Steuerungshersteller haben 2000 die CoDeSys Automation Alliance (CAA) gegründet, mit dem Ziel, die Schwierigkeiten bei der Nutzung von Steuerungen unterschiedlicher Hersteller zu überwinden. Inzwischen unterstützen weit über 100 Steuerungshersteller das Programmiersystem CoDeSys (Controller Development System), das ebenfalls alle fünf Sprachen der IEC 61131-3 zur Verfügung stellt.

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Arbeitsblatt 14

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Vernetzungstechnik

1.5. Grundlagen der Kommunikationstechnik

Das ursprüngliche Automatisierungskonzept - alle Kabel führen zum Rechner - war irgendwann nicht mehr durchführbar, da es zu viele Kabel wurden. Daher musste eine anderes Konzept gefunden werden - die Vernetzungstechnik. Im Netz wird die Information seriell über eine Leitung übertragen, an die alle Teilnehmer angeschlossen sind, die miteinander kommunizieren wollen. Jeder Teilnehmer benötigt ein Interface = Busanschluss (ASIC oder Controller); der Bus ist nur eine verdrillte Zweidrahtleitung (twisted pair), Koaxialkabel oder Lichtwellenleiter. Letzteres ist zwar die teuerste dafür aber die störsicherste Variante. Die Netzstruktur kann linien-, stern-,ring oder baumförmig sein.

Alle vernetzten Teilnehmer zusammen bilden ein LAN: (local area network). Lokal bedeutet, dass das Netz für den Nahbereich gedacht ist, man hat Übertragungswege von wenigen 100 Metern, etwa einem Gebäude oder ein Werksgelände. Vernetzt werden SPS, PC, Roboter, CNC u.a., die sogn. Busteilnehmer. Über den Bus kann jeder Teilnehmer mit jedem nach einem vereinbarten Protokoll kommunizieren, d.h., für den Informationsaustausch werden Telegramme mit den entsprechenden Sende- und Empfangsadressen sowie den Nutzdaten gebildet. Entwicklungsbedingt existiert eine Vielzahl verschiedener Bussysteme, wobei zwischen geschlossenen und offenen zu unterscheiden ist. < Die geschlossenen Systeme sind meist herstellerspezifisch, d.h., das Übertragungsprotokoll ist nicht offen gelegt, so dass i.d.R. nur die Geräte desselben Herstellers anschaltbar sind, bzw. die Anpassung "fremder" Teilnehmer mit hohem Aufwand verbunden ist. Dieses Konzept ist "entwicklungsbedingt", aber eigentlich nicht entwicklungsfähig, so dass sie heute praktisch nicht mehr eingesetzt werden. Offene Systeme haben demgegenüber offengelegte, d.h. einsehbare Protokolle und standardisierte Schnittstellen, so dass eine Vielzahl von Geräten unterschiedlicher Hersteller an diesen Bus angeschlossen werden kann. Offene Feldbussysteme sind z.B. Profibus, Interbus-S, CAN, SINEC L2, ASI, Industrial Ethernet u.a.

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Entscheidend für Automatisierungszwecke ist, die Echtzeitfähigkeit, d.h. eine Zugriffsund Rückantwortgarantie innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens, etwa 100 ms, wobei die Forderungen in der Fertigungstechnik (ca. 10 ms) im allgemeinen weit höher liegen als in der Verfahrenstechnik.

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Steuerungstechnik

Arbeitsblatt 14A Vernetzungstechnik

Deshalb werden je nach Anwendungsbereich unterschiedliche Bussysteme eingesetzt: < in der Feldebene sollen Prozess-Signale zwischen Sensoren/Aktoren und dem Prozessabbild der Steuerung in schneller zeitlicher Folge ausgetauscht werden; deshalb bestehen hier die höchsten Echtzeitforderungen; das erfordert sehr kurze Telegramme und (i. allg.) einen determinierten Buszugriff. Zum Einsatz kommen z. B. AS-I-Bus und PROFIBUS -DP (Dezentrale Peripherie) in der Zellenebene werden größere Datenmengen zwischen SPSen und PC, meist nach dem Client-Server-Prinzip, ausgetauscht, aber weit weniger zeitkritisch. Vorrangig eingesetzt werden PROFIBUS -FMS ( Fieldbus Message Specification) und zunehmend Industrial-Ethernet. in der Leitebene werden i. allg. sehr große Datenfiles, praktisch ohne Echtzeitforderungen nach dem Ethernet-TCP/IP-Konzept ausgetauscht;

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Um die einzelnen Kommunikationsaufgaben sauber zu strukturieren, wurde von der ISO (Internationale Standard Organisation) das OSI-Referenzmodell (Open System Interconnect) mit sieben Schichten entwickelt: 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. Anwendung Darstellung Sitzung Transport Netzwerk Datenverbindung Physik Die Schichten sind dabei so angelegt, das jede Schicht die Dienste der jeweils darüber liegenden Schicht nutzt und wiederum ihre Dienste an die jeweils darunter liegende Schicht weitergibt. Für die Datenkommunikation im Sensor - Aktor Bereich sind dabei eigentlich nur die Schichten 1,2 und 7 relevant.

Die physikalische Schicht (1) umfasst die Festlegungen der seriellen Bitübertragung. Zur Formatierung der Daten werden dabei unterschiedliche Verfahren angewendet. Die folgende Übersicht zeigt die wichtigsten dafür eingesetzten Methoden:

Bit-Folge

Bit-Takt

NRZ (non return to Zero)

Manchester II

FSK (Frequency Shift Keying)

AFP (Alternierendes Flanken-Puls-Verfahren)

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Arbeitsblatt 15 Vernetzungstechnik

Hauptgegenstand der Datenverbindungsschicht (2) sind Maßnahmen zur Datensicherung (Fehlererkennung und -behebung), die Flusskontrolle (Logical Link Control, LLC) sowie die Regelung des Buszugriffs (Media Access Control, MAC). < Um Übertragungsfehler erkennen zu können, werden die seriellen Daten um Prüfinformationen ergänzt; gebräuchlich sind z.B.: · Paritätsbit: Hierbei wird jedem Byte (oder Datenwort) ein Bit so zugefügt, dass die Gesamtzahl der Werte Eins immer gerade oder ungerade ist; Prüfsumme: blockweise wird die Quersumme aller Zeichen erzeugt und am Ende der Übertragung übermittelt; CRC: (Cyclic Redundancy Check) Ein CRC-Prüfzeichen entsteht als Rest der Division eines kompletten Datenblockes durch ein so genanntes Generatorpolynom. Der Empfänger hängt diesen Rest (CRC-Wert) an den empfangenen Datenblock an und dividiert ihn dann wieder durch das Generatorpolynom. Wenn bei dieser Division kein Rest bleibt, kann die Übertragung als fehlerfrei angenommen werden.

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Werden Fehler bei der Übertragung erkannt, wird in der Regel die Sendung wiederholt. < Wenn mehrere Teilnehmer über die gleiche Leitung kommunizieren, müssen die BusZugriffsrechte klar geregelt sein, d.h. es muss festgelegt sein, welcher Teilnehmer seine Daten gerade senden darf. Serielle Busse

Zeitmultiplex

Frequenzmultiplex (Rundfunk)

Synchrone Übertragung mit zentraler Kontrolle

Asynchrone Übertragung

Determinierter Buszugriff

Stochastischer Buszugriff

zentrale Buszuteilung

dezentrale Buszuteilung

CSMA

CSMA/CD

CSMA/CA

Polling, Master-Slave Flying Master

TDMA, Token Passing

Ethernet

CAN

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Arbeitsblatt 16 Buszugriffsverfahren

deterministische Zugriffsverfahren * Master - slave - Prinzip Ein Master ist der Busverwalter und bestimmt, wer abgefragt wird. Abgefragt werden die Slaves - Sensoren, Messergebnisse auch SPS, Rechner oder Roboter. Meist werden sie in zyklischer Reihenfolge vom Master zur Antwort aufgefordert, sogn. Polling, somit lässt sich ein festes Zeitraster angeben, in dem die Geräte am Bus abgefragt werden. Die Nachrichten müssen möglichst knapp gehalten werden. Die Master-Funktion kann auch zwischen den aktiven Steuereinheiten wechseln, so dass z. B. bei Ausfall des Masters eine andere Station diese Funktion übernehmen kann (Flying-Master).

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Token - Passing Die aktiven Teilnehmer am Bus sind in einem logischen Ring angeordnet Das Token - die Sendeberechtigung - ist ein Bitmuster, das in dem Bus von Station zu Station jeweils nach einer bestimmten Zeit weitergereicht wird, so dass eine feste Token-Umlaufzeit garantiert wird. Der Teilnehmer, der senden möchte, nimmt das Token, setzt es auf besetzt und hängt die Adresse des Empfängers und seine Nachricht an. Der Empfänger übernimmt die Nachricht und setzt das bit "Token übernommen", das bekommt der Sender zurück und überprüft die Nachricht noch einmal. Solange eine Station im Besitz des Token ist, kann sie auch die Funktion eines Masters übernehmen und z.B. andere, nicht aktive Stationen (Slaves) abfragen. Die so entstandene Kombination aus Token-Passing und Master-Slave-Verfahren wird auch als hybrides Buszugriffsverfahren bezeichnet und ist beim PROFIBUS realisiert.

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Arbeitsblatt 17 Buszugriffsverfahren

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stochastische Zugriffsverfahren * CSMA/CD - (Carrier Sense Multiple Access with Collisions Detection) Jede Station, die senden will, prüft ob der Bus frei ist (Carrier sense) und belegt ihn, wenn frei ist (multiple access); vgl. Telefon. Wollen zwei Teilnehmer gleichzeitig zugreifen, wird eine Kollision erkannt (collisions detection), dann treten beide Teilnehmer zurück. Nach einem Zufallsverfahren wird nun "ausgewürfelt", welcher Teilnehmer jetzt senden darf. Jeder Teilnehmer sendet, wenn er sendet, so lange, wie er möchte, so dass große Datenfiles übertragen werden können. Dieses Verfahren eignet sich daher für die Bürokommunikation z.B. in der Leitebene, ist aber für Automatisierungszwecke nur sehr bedingt geeignet, da bei diesem Prinzip der Buszugriff zeitlich nicht garantiert werden kann. Es wird bei ETHERNET angewendet, TCP/IP ­Protokoll. * In jüngster Zeit wird das TCP/IP-Protokoll auch für die Kommunikation im Automatisierungsbereich in Gestalt von Industrial Ethernet mit Erfolg eingesetzt. Die Echtzeitfähigkeit wird dabei durch hohe Übertragungsraten, leistungsfähige Busumsetzer und durch kurze Datenprotokolle erreicht.

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CSMA/CA - (Carrier Sense Multiple Access with Collisions Avoidance) Jeder Teilnehmer belegt bei Bedarf den Bus (CSMA !), aber den Nachrichten werden hier durch ihre Adressen klare Prioritäten vergeben, sogn. "Identifier". Dieser Identifier wird immer zu Beginn einer Übertragung gesendet. Bei einer Kollision wird der Wert Eins vom Wert Null überschrieben. Jeder Sender hört auch in den Bus rein, ob seine Nachricht dort richtig vorliegt, falls nicht, erkennt er eine Kollision und tritt zurück, wenn der andere Sender die höhere Priorität (d.h. den kleineren Identifier) hat. Die Nachrichten enthalten keine Adressen für den Empfänger, sondern jeder Teilnehmer, der sich dafür "interessiert", nimmt sie auf. Außerdem werden immer nur einzelne Messwerte gesendet. Dadurch sind die Nachrichten sehr kurz und belegen nur kurze Zeit den Bus, so dass die Kollisionswahrscheinlichkeit recht klein ist. Im "worst case" kann jedoch ein defekter Sender mit hoher Priorität theoretisch den Bus blockieren, (wenn er dauernd senden will). Dieses Verfahren wurde für die Bussysteme in der Fahrzeugtechnik entwickelt: CAN-Bus (Controller Area Network) von Bosch, ABUS VW. Der CAN-Bus hat wegen seiner Einfachheit, preiswerten Schaltkreise wegen hoher Stückzahlen in der Prozessautomatisierung zügig Verbreitung gefunden.

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