November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.1 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Vorlesung Prozessautomatisierung

Ablaufsprache für chargenbasierte ProzesseAblaufsprache für chargenbasierte ProzesseLinearisierung – analytische und graphische MethodenLinearisierung – analytische und graphische Methoden

13. November 2002

Hochschule für Technik und Wirtschaft des SaarlandesFachbereich Elektrotechnik

Goebenstr. 4066117 Saarbrücken

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.2 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Themen Vorlesung RAT (1)

Grundlagen & BegriffeZusammenfassung von Grundlagen und Voraussetzungen der Automatisierungstechnik /Signale / Hilfsenergie / Systembeschreibung / Linearisierung analytisch und in Kennlinien-feldern / Modellbildung / Allgemeine Automatisierungsthemen (Schutzarten, Explosions-schutz, EMV) / Systemarchitektur von Automatisierungssystemen

Technische Systeme für Transportvorgänge von Stoffen Übertragungsverhalten von Transport-/Förderbändern für feste Stoffe / Übertragungs-verhalten von Transportsysteme für flüssige Stoffe / Übertragungsverhalten von Be-hältern und Mischsystemen / Beschreibung des Zeitverhaltens von Befüllungs- und Ent-Leerungsvorgängen / Stellgerätetechnik und deren Beschreibungen (Ventile)

Signalaufbereichtung (Messumformer, Sensoren)Übersicht von Prozessgrößen und deren Messung / Temperatursensorik und Realisierung entsprechender Messaufgaben

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.3 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Themen Vorlesung RAT (2)

Hilfsmittel / Fliessbilder / R&I-SchemenDarstellung von verfahrenstechnischen Abläufen / Symbole und Kennzeichen / Program-mierungshilfsmittel / Darstellung von Funktionsplänen / Ablaufsteuerung /

AutomatisierungskonzeptionIndustrielle Kommunikation (Feldbussysteme) / Systemarchitektur von Automatisierungs-systemen / Organisation von PLT-Projekten / Normen, Vorschriften, Richtlinien / Char-genprozesse / Stellgeräte / Regler / Steuerungen

Neue Methoden in der AutomatisierungstechnikFuzzy-Konzept / Fuzzy-Regelung / Einsatz von Neuronalen Netzen in der Automatisie-rungstechnik / Anwendungsbeispiele und technische Realisierungen

Automatisierung mit Matlab/SIMULINKEinführung in die Entwicklungsumgebung /Anwendungen / Regelkreisauslegung / Lösen vonDifferentialgleichungen

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.4 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Thema heute

Grundlagen für die Prozessautomatisierung :„Ablaufsteuerung, Chargenprozessbeschreibung, Beschreibungsform,Beispiele und Anwendungen sowie Linearisierung von Kennlinien und nichtlinearen Abhängigkeiten“

Grundlagen• Grundbegriffe • Mathematische Grundlagen• Anwendungen

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.5 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Technische Prozesse / Unterschiede

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.6 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Prozessablaufbeschreibungen

Steuerungstechnik bietet viele Programmiersprachen für die Reali-sierung von SPS-Softwareprogrammen:

• VerknüpfungssteuerungenLogische Verknüpfung stehen im Vordergrund. Die Grundsprachen sindKOP, FUP und AWL. Es werden in Form von logischen Funktionen Ver-knüpfungen abgebildet.

• Ablaufsteuerung Sequentielle Steuerungsabläufe. Zeitpunkt und Reihenfolge einzelnerProzesse sind entscheidend. Das Starten und Reihenfolge einzelnerProzessschritte umfasst logische Verknüpfungen, die wiederum mitden Grundsprachen (KOP, FUP, AWL) abgebildet werden.

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.7 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Steuerungsarten / Definitionen

Verknüpfungssteuerung:Eine Verknüpfungssteuerung ist eine Steuerung, die den Signalzuständen der Eingangssignale bestimmte Signalzustände der Ausgangssignaleim Sinne boolscher Verknüpfungen zuordnet (DIN 19237).

Wenn Motortemperatur > 70°C und Motor läuft dann Lüfter einschalten.

Verknüpfungen entsprechen logischen Aussagen, die mit Hilfe der Grundelemente (UND, ODER, NICHT) kombiniert (verknüpft) werden.

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.8 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Steuerungsarten / Definitionen

Ablaufsteuerung:Eine Ablaufsteuerung ist eine Steuerung mit zwangsläufig schrittwei-sen Ablauf, bei der das Weiterschalten von einem Schritt auf den programmgemäß folgenden Schritt abhängig von Weiterschaltungbe-dingungen erfolgt (DIN 19238).

Beispiel:1. Schritt Behälter füllenBedingung: Behälter voll?

2. Schritt Flüssigkeit rühren und erhitzenBedingung: 2 h bei 70°C gerührt?

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.9 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Programmiersprachen von STEP 7 (SIEMENS)

AWLAnweisungsliste

KOPKontaktplan

FUPFunktionsplan

STEP 7 Basis Plattform mit SIMATIC Manager

S7-GraphAblaufsteuerung

S7-HiGraph Zu-standssteuerung

Optionssoftware

S7-SCL Structured Control Language

CFC Continous Function Chart

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.10 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Kurzinfos zu einzelnen Steuerungssprachen

KOP (Kontaktplan):• Programmierung erfolgt in Anlehnung an Stromlaufplan (Schließer,

Öffner). Verknüpfung der binären Signalzustände wird durch paralleleoder serielle Kontakte dargestellt. Eine Spule schließt den Pfad ab.

FUP (Funktionsplan):• Programmierung erfolgt in Anlehnung an elektronische Schaltkreis-

symbole (Digitaltechnik). Binäre Verknüpfungen werden durch Ver-schalten von UND, ODER, NICHT Funktionen realisiert.

AWL (Anweisungsliste):• Programmierung erfolgt in Listenform. Eine Zeile entspricht einer

Anweisung mit einer Operation, die die auszuführende Funktion vor-gibt.

Quelle: Siemens

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.11 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Was ist eine Ablaufsteuerung?

Ablaufsteuerung:• Nicht im Vordergrund statische Zuordnung von Eingangs- und Aus-

gangssignalen• Im Vordergrund zeitliche Abfolge einzelner Prozessschritte• Jeder Schritt enthält ein oder mehrere Aktionen (z.B. Motor EIN)• Weiterschaltbedingungen in der Schrittkette (Transitionen)

Prozessabhängige Weiterschaltbedingung• Bedingungen müssen hierfür erfüllt sein

z.B. Transportvorgang: Türe ist geöffnet und Stellplatz nicht belegtZusammensetzung aus logischen Verknüpfungen

Zeitabhängige Weiterschaltbedingung • Bedingungen einer Zeitvorgabe (Zeitdauer) muss erfüllt sein

z.B. Mischvorgang: Mischdauer von 2 min ist abgelaufen

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.12 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Zustandsbeschreibung von Stellgeräten

Innerhalb von Regelungsaufgaben können Stellglieder wechselnde Zu-stände annehmen. Regelventile können kontinuierlich von auf <-> zu ver-fahren werden.

Quelle: Epple, PLT Aachen

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.13 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Zustandsbeschreibung in Transitionsnetzwerken

Komplexe Abläufe mit sequentiellen Charakter lassen sich gut in solchenZustandsbeschreibungen modellieren (Objekt Modelling Technique)

OMT setzt folgende Elemente ein:• Zustand

Werte (Definitionsbereich) • Aktion

Kurzzeitige Operationen / Änderungen / Prozesse, die zu Beginn, während und beim Verlassen des Zustandes ausgeführt werden.

• AktivitätAndauernde Operation oder sequentielle Abläufe. Beschreibung inForm von Gleichungen, Ablauflogiken.

• TransitionZustandsänderung, tritt ein, wenn alle Bedingungen erfüllt sind.

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.14 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Beispiel für OMT

Quelle: Epple, PLT Aachen

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.15 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Transition

Ereignisgesteuerte Transition:• Vorzustand ist gesetzt• Bestimmtes Ereignis ist ein-

getreten• Bestimmte Bedingungen sind

erfüllt

Allgemein• Eine Transition wird ausgeführt, wenn der Vorzustand gesetzt ist und

Transitionsbedingungen erfüllt sind. • Bei Erfüllung der Transitionsbedigung wird der Vorzustand zurück-

gesetzt (einschließlich Ausführung der exit-Aktionen) und der Folge-zustand wird gesetzt (einschließlich der entry-Aktionen)

Ablaufgesteuerte Transition:

• Vorzustand ist gesetzt• Vorzustand-Aktivität ist

terminiert• Bestimmte Bedingungen

sind erfüllt

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.16 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Notation von Transitionen

Quelle: Epple, PLT Aachen

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.17 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Steuerlogik Motorventil

Quelle: Epple, PLT Aachen

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.18 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Formale Beschreibung einer Ablaufsteuerung

Notation in Form von Strichen und Kastensymbolen.

Transitionen enthält die Bedingungen

Box enthält Anweisungen, was istNach Freigabe in dem betreffendenSchritt zu tun

Quelle: Epple, PLT Aachen

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.19 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Formale Beschreibung einer Ablaufsteuerung

Bild 16, Epple, Bild 17 Epple

Quelle: Epple, PLT Aachen

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.20 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Paralleler Ablauf

Simultanverzweigung entsprichteiner logischen UND VerknüpfungDie Zustände 2 und Zustände 3Werden zeitgleich durchlaufen,Wenn die Transistionsbedingung1 erfüllt ist.

Quelle: Epple, PLT Aachen

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.21 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Alternativer Ablauf

Alternativverzweigung entsprichteiner logischen ODER VerknüpfungDie Zustände 2 oder Zustände 3werden abhängig von den Transi-tionsbedingungen durchlaufen.

Es wird immer nur eine der Teil-ketten bearbeitet. Abweichendvon der logischen ODER-Verknüp-fung.

Quelle: Epple, PLT Aachen

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Beispiel klassischer Ablauf-steuerung: Chargenprozess

Rezeptfahrweise mit 2 Rezepten

Quelle: Uhlig

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Beispiel Ablaufsteuerung

Ablaufdiagramm Teil 1mit Starttransition

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Beispiel Ablaufsteuerung

AblaufsteuerungTeil 2

Ablaufschema entsprichtder verbalen Prozess-Beschreibung und demVerfahrensfließbild

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.25 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Beispiel 2:Dosierung vonFlüssigkeiten

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Rezeptbeschreibung

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.27 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Ablaufsteuerung

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Rezeptbeschreibung Ablaufsteuerung

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.29 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Umsetzung auf SPS S7

Quelle: Siemens

Ablaufsteuerung mit S7:•Start mit Initialisierungsschritt (mehrere Bedingungen sein)•Abwechselnd werden Transitionen und Schritte durchlaufen (Ablauf-kette)•Durchlauf von Verzweigungen / Simulaten Schritten•Durchlauf bis Ende erreicht oder Rücksprung auf den Start derSchrittkette erfolgt.

Schrittkette•Funktionsbaustein und DatenbausteinFB steuert die Schrittkette, DB enthält die Daten •Anlegen nacheinander von Schritten und Transitionen •Jeder Schritt / jede Transition kann aus mehreren Verknüpfungenbestehen.

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.30 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Movies zur Programmierung mit Ablaufsteuerung GRAPH (1)

Quelle: Siemens

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.31 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Movies zur Programmierung mit Ablaufsteuerung GRAPH (2)

Quelle: Siemens