Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Automatisierungstechnik, Professur Prozessleittechnik

DIN EN 61131 DIN EN 61131 Ein abstraktes, vereinheitlichendes M d ll i i h iModell einer speicherprogrammier-baren Steuerung (SPS)

VL Prozessleittechnik I (SS 2011)Professur für Prozessleittechnik

Übersicht

• Einführende Beispiele der AnlagensicherungS i h i b St• Speicherprogrammierbare Steuerungen

• DIN EN/IEC 61131 Modell– Architekturmodell– Programmorganisationseinheit– Variablenzugriffe

• DIN EN/IEC 61131 Fachsprachen (nächster Termin)– Textorientierte Fachsprachenp– Grafische Fachsprachen

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Einführende Beispiele der AnlagensicherungAnlagensicherung

T b di ht• Turboverdichter• Industrieofen• Sicherungseinrichtungen

Bsp. 1: Turboverdichter(Strohrmann 2004 S 13)(Strohrmann 2004, S.13)

•Einschalten HilfsölpumpeÖ– Öldruck zu tief (PS-Z-- 3)

•Einschalten verriegeln– Öl zu kalt (TZ- 2)Öl zu kalt (TZ 2)– Umgangsventil geschlossen (GZ- 1)

•Abschaltung– Enddruck zu hoch (PZ+ 1)– Saugdruck zu tief (PZ- 1)– Öldruck zu tief (PS-Z-- 3)Ö d u u ( 3)– Füllstand zu tief (LZ+ 1)– Durchfluss zu tief (FZ- 1)

TV heiß (TA+Z++ 1)12.04.2011 PLT-1 (c) 2008-2011, UR Folie 4

– TV zu heiß (TA+Z++ 1)

Bsp. 2: Industrieofen(Strohrmann 2004 S 14)(Strohrmann 2004, S.14)

Brennerabschaltung bei:•Betriebstemperatur unter 650°C•Betriebstemperatur unter 650°C

–TZ-1 (Keine sichere Zündung nachkurzzeitigem Ausfall vor der Bildung eines

l i G i h )explosiven Gemisches)

•Gas- und Luftmangel–PZ-1–PZ-2

•Flammenwächter–XZ-1

•Rückzündungsgefahr–QZ+1

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Sicherheitsgerichtete Funktionen der Sicherheitsgerichtete Funktionen der Leittechnik

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Sicherungseinrichtungg g

• Verbindungsprogrammierte Steuerung• Speicherprogrammierbare Steuerung

Elemente von SicherungseinrichtungenElemente von Sicherungseinrichtungen(Strohrmann 2004, S.16)

Aufnehmer Messsignalkanal Messumformer Aufnehmer, Messsignalkanal, Messumformer, Grenzsignalgeber, Signalverarbeitung, Meldekanal mit Meldern, Auslösekanal mit Auslösern

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Verbindungsprogrammierte Steuerung

•Verdrahtung vonRelais–Relais

–Schütze K1 K1S1 S4

•Vorteil–Parallele Verarbeitung

aller Signale

S2

S3g

•Nachteil:–Verdrahtung = Programm

Fü Ä d d L ik

K1

S3

H1

–Für Änderung der Logik ist Änderung der Verdrahtung notwendig!

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Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)(SPS)

• RechentechnischeVerknüpfung der Signale

Rechner mit Ein- und Ausgängen

Verknüpfung der Signale

• Vorteil

S3S2S4S1

–Änderung der Logikbedarf lediglich derNeuprogrammierung des

Automatisierungseinheit

p g gSteuerprogramms

• NachteilN i ll l

H1

–Nur quasiparalleleAbarbeitung möglich(1-Kern-CPU = SISD)

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Programmbeispiel: Programmbeispiel: Verknüpfung von Binärsignalen

• WENN beide Eingänge E 5.2 und E 4.7 auf 1 • DANN setze Ausgang A 8.5 auf 1

SONST t A A 8 5 f 0• SONST setze Ausgang A 8.5 auf 0

Umsetzung in AWL Programmiersprache (IEC 61131):Umsetzung in AWL Programmiersprache (IEC 61131):

LD %IX5.2 ; Lade Bitwert von Eingang 5.2AND %IX4 7 UND V k it Ei 4 7AND %IX4.7 ; UND-Verkn. mit Eingang 4.7ST %QX8.5 ; Ergebnis nach Ausgang 8.5

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Definition SPS DIN EN 61131 Teil 1

• „[…] Ein digital arbeitendes elektronisches System für den Einsatz in industriellen Umgebungen mit einem den Einsatz in industriellen Umgebungen mit einem programmierbaren Speicher zur internen Speicherung der anwenderorientierten Steuerungsanweisungen zur I l ti ifi h F kti i B Implementierung spezifischer Funktionen wie z.B. Verknüpfungssteuerung, Ablaufsteuerung, Zeit-, Zähl-und arithmetische Funktionen, um durch digitale oder analoge Eingangs- und Ausgangssignale verschiedene Arten von Maschinen und Prozessen zu steuern. […]“

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Informations-&Kommunikationstechnik rund um die SPSrund um die SPS

FeldbusseVisualisierungProzeßrechner

SPSSPS

Akt SAktoren Sensoren

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Aktoren Sensoren

Speicherprogrammierbare SteuerungenSteuerungen

B f hl t hit kt• Befehlssatzarchitektur• Funktionsweise• Zykluszeiten

Ein Blick in das Steuergerät

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Zyklische Funktionsweise (SPS-Modus)

Initialisierung ProzessabbildAusgängeAusgänge

Einlesen der Eingänge ProzessabbildEingängeEingänge

Abarbeiten von Operationen der Programmbausteine

Typische Bearbeitungszeiten:Typische Bearbeitungszeiten:1µs Bitoperationen2µs Wortoperationen

12µs Zeit/Zähloperationen3µs Festpunktaddition

50µs Gleitpunktaddition

Schreiben der AusgängeProzessabbild

AusgängeAusgänge

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Prozessabbild

• Speicherbereich zur Aufnahme der Signalwerte der Ein- und AusgängeEin- und Ausgänge

– Eingabewerte werden zu Beginn eingelesen, zwischenzeitliche Änderungen während Programmzyklus ignoriert!ignoriert!

– Ausgabewerte werden zwischengespeichert, d.h. Änderungen während der Programmabarbeitung sind

h ß i ht i htb !nach außen nicht sichtbar!

• Manche SPSen erlauben direkten Zugriff auf die Prozesssignale

– Üblicherweise langsamer als direkter Zugriff auf PA– In IEC 61131 nicht standardisiert

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Minimale Impulszeit, maximale Reaktionszeit

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Komponenten einer modularen SPSmodularen SPS

Üb i ht• Übersicht• Baugruppen• Zykluszeiten

Modularer Aufbau einer SPS

S

CPU-Baugruppe

Stromversorgung

Programmier-gerät

Eingangsbaugruppen

Ausgangsbaugruppen

g

g g g pp

Kommunikationsbaugruppen

Funktionsbaugruppen

Bedieneinheit

Funktionsbaugruppen

optional

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Stromversorgung

• Bereitstellung der Betriebsspannung p g

– 5 / 10 / 24V

• Ggf. zusätzliche Wandler für Leistungsbaugruppenfür Leistungsbaugruppen

• Batterie zur Speicherpufferung

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CPU-Baugruppe

• Prozessor• Speicher• Speicher• Schlüsselschalter• EPROM mit Programm (optional)(optional) • Speicherkarte • Programmierschnittstelle (optional)

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Eingabebaugruppen

• Digitaleingabebaugruppen–DC 24 V, AC 120/230 V, f<50 HzC , C 0/ 30 , 50–Potentialtrennung mit Optokopplern–EntstörmaßnahmenL k l A i it L htdi d–Lokale Anzeige mit Leuchtdioden

• Analogeingabebaugruppen–Spannung (+- 10V)Strom (4 bis 20 mA)–Strom (4 bis 20 mA)

–Widerstand (0…300 Ohm)–Thermoelement (E, N, K)–Widerstandsthermometer ( Pt (100, …)–Auflösung 9-15 Bit + Vorzeichen, Messbereich, Grenzwerte parametrierbar

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parametrierbar

Ausgabebaugruppen

• Digitalausgabebaugruppe–Lastspannung DC24V –Lastspannung DC24V, AC120/230V–Spezifizierte Strombelastbarkeit–Potenzialtrennung–Lokale Anzeigen–f < 100 Hz f 100 Hz

• Analogausgabebaugruppen–Spannung (+- 10 V)–Strom (0 bis 20 mA)–Strom (0 bis 20 mA)–Auflösung 12-15 bit–Alarmierung bei Fehlern

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Kommunikationsbaugruppen

• Feldbusse (ASI, Profibus ...)• Industrial Ethernet • Industrial Ethernet • Programmierschnittstellen• Serielle Schnittstellen

–RS232, RS422, RS485–z.B. für Waagen

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Funktionsbaugruppen

• Positionierbaugruppen• Reglerbaugruppen• Reglerbaugruppen• Nockensteuerwerke• Zählerbaugruppen• Uhrenbaugruppen• Bildauswertungsmodul• usw.usw.

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Bedieneinheiten

• Operator Panels• Touch Screens• Touch Screens• Text Displays• Tastaturen

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Programmiergeräte

• Handprogrammiergeräte:–kleinere Projekte z B –kleinere Projekte, z.B. Fehlersuche, Kontrolle und Anpassung vor Ort–überwiegend textbasierte gProgrammierung

• Bildschirmprogrammiergeräte–große Funktionalitätg–gute Debugging-Möglichkeiten–übersichtliche Darstellungg–grafische Programmierung–Simulation

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Gibt es die SPS?

• Mehr als 100 verschiedene HerstellerV hi d G dt• Verschiedene Grundtypen

– Modulare SPS: Wie vorgestellt, Bausteinkonzept– Kompakt SPS: alle Funktionen in einem Blockp– Slot SPS: SPS als Steckkarte eines Industrie PCs– Soft SPS: SPS als Software auf einem Industrie

PC Ankopplung an Prozess über IO-KartenPC, Ankopplung an Prozess über IO Karten

• Auswahlkriterien– Preis (Anschaffung, Projektierung, Wartung, Ersatz) – Funktionalität (Leistung µP, Baugruppen,

Erweiterbarkeit, Ausfallsicherheit, Zertifizierbar) – Integration (CAE, Programmiersystem, Kommunikation)

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Herstellerübersicht: Industrie PC als SPS

www.beck-ipc.com www.ferrocontrol.dewww.beck ipc.com

www.festo.de

www.ferrocontrol.de

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Herstellerübersicht 2

www.keyence.com www.kuhnke.de

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Herstellerübersicht 3

www.schneiderelectric.com www.phoenix-contact.de

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Herstellerübersicht 4

i dwww.moeller.net

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www.siemens.de

Kompatibilitätsprobleme

• Viele (>100) Hersteller von SPS, mit proprietären Standards die Vor- und Nachteile bietenStandards, die Vor- und Nachteile bieten.

• Nachteil: Anwender müssen häufig mit SPS-Systemen verschiedener Hersteller gleichzeitig arbeiten können

• Schulung, Fehler, …• Kommunikation verschiedener SPS-Systeme

untereinander nur bedingt möglichuntereinander nur bedingt möglich• Kompatibilität zwischen alten und neuen Systemen?

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Lösungsansatz IEC 61131

• DIN EN 61131 (IEC 61131) legt in 5 Blättern eine weltweite einheitliche Basis der SPS-Technik festweltweite einheitliche Basis der SPS-Technik fest.

– Begriffsbestimmungen und Funktionsmerkmale– Elektrische, mechanische und funktionelle

f dAnforderungen– Fünf Programmiersprachen– Anwenderrichtlinien für alle Projektphasenj p– Kommunikation von SPSen unterschiedlicher Hersteller

• Die Implementierung der Norm ist bei den Herstellern noch nicht abgeschlossen !noch nicht abgeschlossen !

• PLCOpen – Gesellschaft zur Förderung herstellübergreifender PLC-Programmierung

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Ein wenig Geschichte…(John & Tiegelkamp 2001)(John & Tiegelkamp 2001)

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61131-3 SPS-Softwaremodell

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61131-3 Softwaremodell

• Konfiguration: SPS System enthält ggf mehrere Ressourcen ( SPS)– SPS-System, enthält ggf. mehrere Ressourcen (~SPS)

• Ressource: – Signalverarbeitungsfkt incl. Sensor/Aktorschnittstellen g g

(~CPU+IO-Bus)– Enthält ggf. mehrere Programme

• Programm • Programm – wird unter Steuerung von Tasks ausgeführt– Kann mehrere Funktionsbausteine oder andere

S h l t th lt Sprachelemente enthalten

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61131-3 Softwaremodell: Starten/Stoppen von Konfiguration und/oder Ressourcenvon Konfiguration und/oder Ressourcen

• Starten einer KonfigurationSchritt 1: Initialisierung der globalen Variablen– Schritt 1: Initialisierung der globalen Variablen

– Schritt 2: Starten aller Ressourcen

• Starten einer Ressource– Schritt 1: Initialisierung aller Variablen der Res.– Schritt 2: Freigabe aller Tasks der Res.

• Stoppen einer Ressource• Stoppen einer Ressource– Sperren aller Tasks

• Stoppen einer Konfigurationpp g– Stoppen aller Ressourcen

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Anfangswerte der Variablen beim Starten eines Konfigurationselementseines Konfigurationselements

• Verschiedene Anfangswerte möglich:gepufferter Wert (als das KE gestoppt wurde RETAIN)– gepufferter Wert (als das KE gestoppt wurde - RETAIN),

– anwender-spezifizierten Anfangswert,– voreingestellter typ-spezifischer Anfangswert

• Regeln zur Ermittlung des Anfangswertes– Warmstart: gepufferte Var. nehmen gepufferte Werte an

Kaltstart: gepufferte Var nehmen anw spez Wert ein – Kaltstart: gepufferte Var. nehmen anw-spez Wert ein, wenn nicht definiert typ-spez Wert

– Nichtgepufferte Var. nehmen anwenderspez. Wert ein, wenn nicht definiert typspez Wertwenn nicht definiert typspez. Wert

– Eingangsvariablen werden implementierungsabhängig initialisiert

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Wiederanlauf nach Spannungsausfall oder StörungStörung

• Kaltstart: Alle dynamischen Daten (Variablen, Register Zähler Zeitglieder Prozessabbild) werden Register, Zähler, Zeitglieder, Prozessabbild) werden auf definierten Zustand zurückgesetzt

– Automatisch oder manuell

• Warmstart: Wiederanlauf von einem vorbestimmten Zustand des Anwendungsprogramms und vorbestimmer Menge an Rest-Dateng

– Status-Merker zur programmtechnischen Berücksichtigung

• Heißstart: Alle dynamischen Daten sind unverändert• Heißstart: Alle dynamischen Daten sind unverändert– Netzunabhängige Echtzeituhr, um Zeit seit Stromausfall

bestimmen zu können

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Programmorganisationseinheiten (POE)

• Programm (PRG): Hauptprogramm– Zuordnung der Peripherie Zuordnung der Peripherie – Globalen und lokale Variablen – Kann FB und FC aufrufen

F nktionsba stein (FB) Ba stein • Funktionsbaustein (FB): Baustein – Eingangs- und Ausgangsvariablen– statische Variablen (= Gedächtnis)– Kann FB und FC aufrufen

• Funktion (FC): Unterprogramm – Eingangs- und Ausgangsvariablen g g g g– Darf keine internen Zustandgrößen besitzen– Kann weitere FC aufrufen

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Übersicht

• Einführende Beispiele der AnlagensicherungS i h i b St• Speicherprogrammierbare Steuerungen

• DIN EN/IEC 61131 Modell– Architekturmodell– Programmorganisationseinheit– Variablenzugriffe

• DIN EN/IEC 61131 Fachsprachen (nächster Termin)– Textorientierte Fachsprachenp– Grafische Fachsprachen

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