Basisautomatisierung Logik & Einzelsteuerfunktionen

VL Prozessleittechnik 1 (SS 2012) Professur für Prozessleittechnik

Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Automatisierungstechnik, Professur Prozessleittechnik

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Vorlesungsinhalte

• Aufgaben der Basisautomatisierung

• Beispiele der Anlagensicherung

• Systementwurf für binäre Steuerungen

• Speicherfunktionen, Zeit- und Zählerbausteine

• Modellierung von Aktoren

• Modellierung der Analogwertverarbeitung

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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

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Beispiele

• Werkzeugbrucherkennung • Optisches Schutzgitter • Turbinenüberwachung • Überlaufschutz von Tanks • Leerlaufschutz für Pumpen • Reihenfolgenverriegelung von Motoren • …

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• 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

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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

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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)

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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

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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

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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

∧=∨∧∨=∧∨

=∨∧=∧∨

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KVS-Diagramm

• Karnaugh-Veitch-Symmetrie-Diagramm: Symmetrischer Aufbau einer Funktionstabelle durch wechselweises Spiegeln

Ziffern in den Zellen im Oktalsystem!

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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

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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

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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

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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

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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

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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

+=+=

+++=

+++=

++=

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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Zeitdiagramm TON

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Zeitdiagramm TOF

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Zeitdiagramm TP

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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

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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)

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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)

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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

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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

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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:

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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

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Messarten

• Verschiedene Messarten – Spannung, Strom (Widerstand, Temperatur) – verschiedene Messbereiche

• Konfiguration herstellerabhängig einstellbar durch

– Art der Verdrahtung, – Messbereichsmodul und/oder – Parametrierung.

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• 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

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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

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Normierungs- baustein in AWL

• Funktion (ohne Output-Variablen)

• 3 lokale Variablen

UIn

-30000

+30000-10.0

AENormfUIn

+10.0

wAE

iUGREB

iOGREB

fOGRNB fUGRNB

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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