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Basisautomatisierung Logik & Einzelsteuerfunktionen
VL Prozessleittechnik 1 (SS 2012) Professur für Prozessleittechnik
Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Automatisierungstechnik, Professur Prozessleittechnik
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 2
Vorlesungsinhalte
• Aufgaben der Basisautomatisierung
• Beispiele der Anlagensicherung
• Systementwurf für binäre Steuerungen
• Speicherfunktionen, Zeit- und Zählerbausteine
• Modellierung von Aktoren
• Modellierung der Analogwertverarbeitung
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 3
Basisautomatisierung (DIN EN 61512-1)
• BA: Steuerungen, die zur Herstellung und zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Zustandes einer Einrichtung oder eines Prozesszustands dienen
– Beinhaltet Regelungen, Verriegelungen, Ausnahmefallbehandlungen, diskrete & sequentielle Steuerungen
– Kann auf Prozessbedingen reagieren – Kann durch Anweisung des Bedieners oder
Prozedur- oder Koordinierungssteuerungen aktiviert, deaktiviert oder geändert werden
Strukturierte Automatisierung
• Anwendungs-/Produktspezifische AT – Rezeptfahrweise – Handsteuerung
• Equipment-Modul / Kontrollmodul – Automatisierung mit dem Ziel Qualität – Automatisierung mit dem Ziel Komfort – Automatisierung mit dem Ziel Sicherheit
• Instrumentierungsnah – Sicherheit / Verfügbarkeit von Einzelkomponenten
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 4
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 5
Beispiele
• Werkzeugbrucherkennung • Optisches Schutzgitter • Turbinenüberwachung • Überlaufschutz von Tanks • Leerlaufschutz für Pumpen • Reihenfolgenverriegelung von Motoren • …
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 6
• Bohrerkontrolle mit Lichtschranke: • Ist der Bohrer nicht abgebrochen, so
wird der Lichtstrahl unterbrochen und ein Freigabesignal für den Bohrvorgang erteilt. Im umgekehrten Fall wird die Freigabe unterdrückt.
I X 0.0 Unterbrochen E=0 BOOL E Lichtschranke
Keine Freigabe A=0
Logische Zuordnung Adresse Datentyp Symbol Eingangsvariable
Q X 4.0 BOOL A Freigabe Ausgangsvariable
(Bildquelle: www.renishaw.com)
Beispiel: Werkzeugbrucherkennung
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 7
Implementierung in den verschiedenen Sprachen der EN ISO 61131-3
• AWL LDN %IX0.0 LD %IX0.0 LD %IX0.0 ST %QX4.0 NOT STN %QX4.0 ST %QX4.0
• ST %QX4.0 := NOT %IX0.0
• FUP
• KOP %IX0.0 %QX4.0 %IX0.0 %QX4.0 |----|/|------( )------| |----| |------(/)------|
NOT %IX0.0 %QX4.0
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 8
Beispiel: optisches Schutzgitter
• Die Presse führt den Arbeitshub nur aus, wenn die Lichtstrahlen nicht unterbrochen sind und der Starttaster S1 betätigt ist.
IX 0.1 IX 0.2
Betätigt S1=1 Nicht Unterbrochen S2=1
BOOL BOOL
S1 S2
Taster Start Lichtgitter
Arbeitshub K=1
Logische Zuordnung Adresse Datentyp Symbol Eingangsvariable
QX 4.0 BOOL K Pressenschütz
Ausgangsvariable
(Bildquelle: www.leuze.de)
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 9
Beispiel: Turbinen- überwachung • Die Alarmleuchte einer Turbine
geht an, wenn die Drehzahl zu hoch oder die Lagertemperatur zu hoch oder der Kühlkreislauf ausgefallen ist
IX 0.1 IX 0.2 IX 0.3
n zu groß S1=0 ϑ zu hoch S2=0 In Betrieb S3=0
BOOL BOOL BOOL
S1 S2 S3
Drehzahl n Lagertemperatur ϑ Kühlkreislauf K
Ein H=1
Logische Zuordnung Adresse Datentyp Symbol Eingangsvariable
QX 4.0 BOOL H Alarmleuchte
Ausgangsvariable
(Bildquelle: www.leuze.de)
K
ϑ>
n>
Systementwurf für binäre Steuerungen
Wahrheitstabelle & Normalformen Minimierungsverfahren
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 11
Wahrheitstabelle und Normalformen
• Tabellarische Auflistung aller Systemzustände des Schaltnetzes
– Üblicherweise Eingänge links, Ausgang rechts – 1 = Wahr; 0 = Falsch; X oder 0/1 = don‘t care
• Normalformen • Disjunktive NF:
– Alle Zeilen mit Ausgang = 1, – UND-Verknüpfung der Eingänge einer Zeile, – ODER-Verknüpfung der Zeilen
• Konjunktive NF: – Alle Zeilen mit Ausgang=0 – ODER-Verknüpfung der Eingänge einer Zeile – UND-Verknüpfung der Zeilen (Konjunktion)
E2 A 0 0 1 1
E1 0 0
0 1 1 1
1 1
ODER-Verknüpfung
A = E1vE2
A= E1E2vE1E2vE1E2
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 12
Algebraische Minimierung
Neutrale Elemente
Reduktionsregeln
Kommutativgesetz Assoziativgesetz Distributivgesetz
110001
=∨=∧=∨=∧
EEEEEE
EEEEEEEEEE
=∨=∧=∨=∧ 10
1221
1221
EEEEEEEE
∧=∧∨=∨
321321
321321
)()()()(
EEEEEEEEEEEE
∧∧=∧∧∨∨=∨∨
)()()()()()(
3213121
3213121
EEEEEEEEEEEEEE
∨∧=∧∨∧∧∨=∨∧∨
21211
21211
1211
1211
)()(
)()(
EEEEEEEEEE
EEEEEEEE
∧=∨∧∨=∧∨
=∨∧=∧∨
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 13
KVS-Diagramm
• Karnaugh-Veitch-Symmetrie-Diagramm: Symmetrischer Aufbau einer Funktionstabelle durch wechselweises Spiegeln
Ziffern in den Zellen im Oktalsystem!
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 14
Zuordnung Zeilen zu Feldern
Nr X3 X2 X1 A 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 2 0 1 0 1 3 0 1 1 0 4 1 0 0 1 5 1 0 1 1 6 1 1 0 1 7 1 1 1 0
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 15
Grafische Minimierung
• Zusammenfassen von maximal viel 1-er Feldern:
– Anzahl der Felder: Potenzen von 2, d.h. 1,2,4,8 – Überlappung erlaubt – Wegen Symmetrie Fortsetzung über die Ränder
erlaubt
0
1
!X1, !X3
1 1 1 !X2
0 1 0 X2
X1, !X3 !X1, X3 X1, X3
X1 ∧ ! X2 ! X1 ∧ X3 ! X1 ∧ X2
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 16
Zuordnung Zeilen zu Feldern - Variante 2
Nr X3 X2 X1 A 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 2 0 1 0 1 3 0 1 1 0 4 1 0 0 1 5 1 0 1 1 6 1 1 0 1 7 1 1 1 0
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 17
Grafische Minimierung - Variante 2
• Zusammenfassen von maximal viel 1-er Feldern:
– Anzahl der Felder: Potenzen von 2, d.h. 1,2,4,8 – Überlappung erlaubt – Wegen Symmetrie Fortsetzung über die Ränder
erlaubt
1 1
!X1, !X3
1 1 1 !X2
0 1 0 X2
X1, !X3 !X1, X3 X1, X3
X1 ∧ ! X2 ! X1
Speicherfunktionen, Zeit- und Zählerbausteine
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 19
Speicherfunktion
•Ein/Austaster für Meldeleuchte H: Leuchte wird durch kurzeitiges Betätigen eines EIN-Tasters S1 ein, durch kurzzeitiges Betätigen eines AUS-Tasters S0 wieder ausgeschaltet werden. Auswirkung auf H abhängig von Vorgeschichte: Zwei unterschiedliche Reaktionen auf Zustand Einführung einer neuen Zustandsvariablen Q (für Vorgeschichte)
1 (S1 dominant)
0 (S0 dominant) 1 1 3
1 0 1 2
0 1 0 1
1 (Lampe ist ein)
0 (Lampe ist aus) 0 0 0
H S0 S1 Nr
1
0
1
0
0
S0
0 (S0 dom.) 0/1 1 7,8
1 0/1 1 5,6
0 0/1 0 3,4
1 1 0 2
0 0 0 1
H Q S1 Nr
01 SS
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 20
Vollständiger Entwurf
Schütztechnik Selbsthaltung
1
0
1
0
0
S0
0 (S0 dom.) 0/1 1 7,8
1 0/1 1 5,6
0 0/1 0 3,4
1 1 0 2
0 0 0 1
H H S1 Nr
≥1 &
H
S1
S0
L1 S0
S1 K1 N
H K1
K1
)()()(
10010
01110
01010101
010101
SHSSSHSHHSSSSHS
HSSHSSHSSHSSHSSHSSHSS
H
+=+=
+++=
+++=
++=
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 21
Gegenseitiges Verriegeln
• Zwei Signale sollen nicht gleichzeitig „ein“ sein
• Beispiel E-Motor – Taster Rechtslauf S1=1An; S2=1Aus – Taster Linkslauf S3=1An; S4=1Aus
– E-Motor soll nicht gleichzeitig Vorwärts- und
Rückwärtslaufsignal bekommen und nicht direkt von Vorwärtslauf in Rückwärtslauf geschaltet werden
– Dazwischen muss erst ausgeschaltet werden.
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 22
Verriegeln am Beispiel E-Motor
• … durch Setzeingang • RS-FF • Setz-Befehl wird nur
wirksam, wenn der andere Speicher auf 0 gesetzt ist
• … durch Rücksetzeingang • RS-FF • Speicher kann nur
eingeschaltet werden, wenn der andere auf 0 gesetzt ist wg. dominantem R-Eingang &
S R Q
S1
A2 A1 S2
& S R Q
S3
A1 A2 S4
>=1
S R Q
S4 A1
A2 S3
>=1
S R Q
S2 A2
A1 S1
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 23
Zustandsübergangstabelle
& S Q R
S1
M2 M1 S2
& S Q R
S3
M1 M2 S4
S1 (M1 an) S2 (M2 aus) S3 (M2 an) S4 (M2 aus)Alles aus Set M1 (Reset M1) Set M2 (Reset M2)M1 an (Set M1) Reset M1 - (Reset M2)M2 an - (Reset M1) (Set M2) Reset M2
• Zustandsübergangstabelle und Schaltung 1
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 24
Reihenfolgenverriegelung von Antrieben
• Motor M1 muss eingeschaltet sein, bevor M2 eingeschaltet werden kann
– RVS: Verriegelung über Setz-Eingang (&) – RVR: Verriegelung über Rücksetzeingang (≥1,n)
S R Q
E1 M1 E2
& S R Q
M1
E3 M2
E4
E1 - M1 setzen E2 - M1 rücksetzen E3 - M2 setzen E4 - M2 rücksetzen M2 nur, wenn M1
S R Q
E1 M1 E2
>=1
S R Q M1
E4
M2 E3
über Setzeingang über Rücksetzeingang
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 25
Flankenauswertung (Erkennen einer Signalpegeländerung)
• Positive Flanke – Merken des letzten Wertes eines Flankenoperanden (FO)
in Flankenmerker FM – Setzen des Merkers mit E & !FM – Rücksetzen des Merkers mit !E
• Negative Flanke – Merken des letzten Wertes eines Flankenoperanden (FO) – Setzen des Merkers mit E – Rücksetzen des Merkers mit !E & FM
& E
FM S R Q E FM
0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 FO FM E
FO
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 26
Zeitfunktionen
• Verarbeitung von zeitlicher Information ist essentieller Bestandteil von Steuerungen
• Warte- und Überwachungszeiten, Zeitmessungen, Taktimpulse, ...
• EN ISO 61131-3: drei Standardfunktionsbausteine – TP: Erzeugen eines Impulses – TON: Einschaltverzögerung – TOF: Ausschaltverzögerung
• Häufig weitere firmenspezifische Bausteine
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 27
Zeitdiagramm TON
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 28
Zeitdiagramm TOF
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 29
Zeitdiagramm TP
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 30
Zweihandverriegelung mit Feststellungsschutz
• Die Presse soll in Gang gesetzt werden, wenn die Taster S1 und S2 innerhalb 0.5 Sekunden betätigt werden.
• Loslassen eines Tasters stoppt die Presse sofort.
M K1
S1 S2
IX 0.1 IX 0.2
Betätigt S1=1 Betätigt S2=1
BOOL BOOL
S1 S2
Taster links Taster rechts
Angezogen K1=1
Logische Zuordnung Adresse Typ Symbol Eingangsvariable
QX 4.0 BOOL K1 Pressenschütz
Ausgangsvariable
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 31
Ansatz Funktionstabelle
• Einführen einer neuen Variablen, die die Erfüllung/Nichterfüllung der Zeitbedingung abbildet
• (Deutlich vereinfachter) Entwurf der Steuerung mit der neuen Variablen
• Entwurf der Generierungsfunktion für die Zeitbedingung
Modellierung von Aktoren
Individual Drive Function (IDF) Einzelsteuerfunktion (ESF)
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 33
Individual Drive Function (ICF) oder Einzelsteuerfunktion (ESF)
• softwareseitige (PLS;SPS) Steuerung von häufig wiederkehrenden Aktortypen (Motoren und Ventile) und ihren verschiedenen Realisierungsvarianten
• Umsetzung von Ansteuerungs-, Schutz-, Sicherheits-und B&B-Funktionen
• Berücksichtigung von Verriegelungseingriffen (Schalt-bzw. Störsignale) und Betriebsartenumschaltungen (HAND – AUTO)
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 34
Typische Motorbausteine
• Motor mit einer Drehrichtung – Steuersignale: EIN, AUS – Stellsignale: STELL
• Motor mit zwei Drehrichtungen – Steuersignale: LINKS, RECHTS, AUS – Stellsignale: STELL_L, STELL_R
• Schrittmotor – Steuersignale: LINKS, RECHTS, AUS, TAKTZEIT – Stellsignale: STELL, RECHTSLAUF, TAKT
• Polumschaltbarer Einrichtungsmotor – Steuersignale: SCHNELL, LANGSAM, AUS – Stellsignale: A_SCHNELL, A_LANGSAM
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 35
Einzelsteuerfunktion (IDF)
• IDF kapselt motorspezifische Aspekte • IDF bietet Schnittstellen für Bedienung und Automatisierung
IDF
VO/FERN ◙ EIN ◙ AUS ◙
MAN/AUT ◙ EIN ◙ AUS ◙
Ende Befüllen
Start Befüllen
M
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 36
Beispiel: Einrichtungsmotor (IDF1)
• Basisfunktion (IDFBasic): – ON, OFF → RS-Flipflop → OUT
• Verriegelung / Überschreiben des Ein-Signals – LOCK (Temporäres Ausschalten)
• Betriebsartenumschaltung – Vorort-Bedienung, Manuell, Automatik – Gleichberechtigung/Hierarchie abhängig von
Betreiberphilosophie! • Lauf(richtungs)rückmeldung
– Läuft, Geschwindigkeit, Stromaufnahme, ...
Modellierung der Analogwertverarbeitung
Analoge Steuersignale
• Physikalische Größen sind häufig kontinuierliche Größen: Druck, Temperatur, Geschwindigkeit, Drehzahl, ph-Wert, Abstand
• Können von SPS nicht direkt verarbeitet werden, Ein/-Ausgabebaugruppen arbeiten nur mit elektrischen Signalen (Strom, Spannung) Messumformer
• Analoges Signal: Kann innerhalb technischer Grenzen beliebige Werte annehmen.
Induktiver Näherungsmesser:
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 38
Arbeitsbereich
0V
24V
4mA
20mA
RL
U
I
Analogwertdarstellung
• Umsetzung des analogen Prozesssignals in einen diskontinuierlich proportionalen Digitalwert mittels Analog-Digital-Umsetzer (ADU)
• Auflösung: Anzahl der Bits (8-15 & Vorzeichen) – Bei weniger als 15 Bit erfolgt Eintrag linksbündig in
Akkumulator – Je höher die Auflösung, desto länger die
Umsetzzeit und umso kleiner die Frequenz der Störunterdrückung
– Je nach Karte/Hersteller sind Auflösung, A/D-Zeit oder Störfrequenzunterdrückung parametrierbar
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 39
Messarten
• Verschiedene Messarten – Spannung, Strom (Widerstand, Temperatur) – verschiedene Messbereiche
• Konfiguration herstellerabhängig einstellbar durch
– Art der Verdrahtung, – Messbereichsmodul und/oder – Parametrierung.
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 40
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 41
• Messwert steht als WORD im Prozessabbild • Kann als 16-Bit Ganzzahl interpretiert werden • Digitales Rohsignal, Normierung notwendig • Beispiel: AE_Norm = 500/27648 * AE_Nenn
0 0 4 0
Normierter Wert AE_Norm
Digitaler Eingangs-nennwert AE_Nenn
Ausgang des Sensors [mA]
Physikalische Größe [m³/h]
500 27648 20 500
Analoge Messwerte einlesen und normieren
Allgemeine Normierungsvorschrift
• AE: Digitalisierter Eingangswert
• REAW: Normierter Analogeingabewert
• OGREB, UGREB: Grenzen Eingangsnennbereich
• OGRNB, UGRNB: Grenzen Normierungsbereich
• U1,U2: Spannungsmessbereich
• UAE: Anliegende Spannung
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 42
OGREB
UGREB
UGRNB
OGRNB
UAE
AE
REAW
U1 U2 ΔΔU G( A EU G R NR E A W−+=
Realisierung als Funktion AEnorm in AWL (IL)
• Realisierung als IEC-61131 Funktion in AWL
• Ein-Adress Maschine, alle binären Operationen ziehen verknüpfen den Akkumulator mit dem angegebenen Operanden und legen Verknüpfungsergebnis (VKE) dort wieder ab
• Sprache ist typsicher, d.h. nur Operatoren gleichen Typs können verknüpft werden Wandlungsoperatoren *_TO_*
Benötigter Sprachumfang für diese AE
LD op (* vke := op *) ST op (* op := vke *) ADD op (* vke := vke + op *) SUB op (* vke := vke - op *) MUL op (* vke := vke * op *) DIV op (* vke := vke / op *) INT_TO_REAL (* vke := float(vke) *) WORD_TO_REAL (*vke := float(vke) *) AE ist als WORD Variable definiert
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 43
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 44
Normierungs- baustein in AWL
• Funktion (ohne Output-Variablen)
• 3 lokale Variablen
UIn
-30000
+30000-10.0
AENormfUIn
+10.0
wAE
iUGREB
iOGREB
fOGRNB fUGRNB
08.05.2012 PLT1 (c) Urbas 2008-2012 Folie 45
Zusammenfassung
• Basisautomatisierung: Steuerungen zur Herstellung und zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Zustandes einer Einrichtung oder eines Prozesszustands
• Systementwurf binärer Schaltungen über Normalformen und algebraische Minimierung
– Karnaugh-Veitch-Symmetrie-Diagramm
• Aufbau binärer Schaltungen über Funktionsblöcke
– Logikblöcke, FlipFlops, Zeit- und Zählerbausteine
– Einzelsteuerfunktionen für Motore und Ventile
– Normierungsbausteine für Analogwertverarbeitung