- Speicherprogrammierte Steuerung: Realisierung durch ein Programm, welches auf einem SPS-Baustein ausgeführt wird. Regelungs- und Steuerungstechnik

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1 2 Steuerungstechnik Arten von Steuerungen - Verbindungsprogrammierte Steuerung: Durch geeignete Verbindung von konventionellen Schaltungselementen (Leitungen, Schalter, Relais etc.) wird gewünschtes Steuerungsergebnis erreicht. Quelle: Moeller, Internet. - Speicherprogrammierte Steuerung: Realisierung durch ein Programm, welches auf einem SPS-Baustein ausgeführt wird. Quelle: Homepage der Firma Siemens. 28

2 2.1 Verbindungsprogrammierte Steuerung Beispiel: Selbsthaltung mit zwei Ein-/ und Austastern L 1 S 1 S 2 S 3 S 4 K 1.1 K Aktivierung durch Drücken von S 3 oder S 4 Selbsthaltung durch K Deaktivierung durch Drücken von S 1 oder S 2 K 1 29

3 2.1 Verbindungsprogrammierte Steuerung Beispiel: Zweihand-Verriegelung Ein/ Aus L 1 S 3 S 4 S 1 S 2 K 1.1 K Aktivierung durch gleichzeitiges Drücken von S 3 und S 4 Selbsthaltung durch K Deaktivierung durch gleichzeitiges Drücken von S 1 und S 2 K 1 30

4 2.2 Speicherprogrammierbare Steuerung Quelle: Homepage der Firma Siemens. 31

5 2.2.1 Aufbau Aufbau der vorherigen Beispiele mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung: + SPS - E A S 1 S 2 S 3 S Bei einer SPS wird die Wirkungsweise einer Steuerung durch ein Programm festgelegt. Ändert sich die Aufgabenstellung, so wird das Programm, nicht die Verdrahtung geändert. 32

6 2.2.1 Aufbau Aufbau einer Speicherprogrammierbaren Steuerung DE: Digitale Eingänge, AE: Analoge Eingänge, DA: Digitale Ausgänge AA: Analoge Ausgänge Quelle: Wellenreuther G.; Zastrow D.: Automatisieren mit SPS in Theorie und Praxis, Vieweg 2008, Wiesbaden. 33

7 2.2.1 Aufbau Systemfunktionen einer Speicherprogrammierbaren Steuerung Quelle: Wellenreuther G.; Zastrow D.: Automatisieren mit SPS in Theorie und Praxis, Vieweg 2008, Wiesbaden. 34

8 2.2.2 Steuerungsarten Steuerungsarten Man unterscheidet zwei Arten von Steuerungen: - Verknüpfungssteuerung: Das Ein-/ Ausgangsverhalten ist durch logische Bedingungen hinterlegt. - Ablaufsteuerung: Unterscheidbare Aktionen werden in einer ereignis- oder zeitgesteuerten Reihen- oder auch Parallelfolge ausgeführt. Charakterisierend ist die Ausrichtung auf eine Wiederholung. 35

9 2.2.3 Programmiersprachen Programmerstellung - Die Programmerstellung erfolgt mittels PC, die Übertragung an die SPS mittels serieller Schnittstelle oder Memory-Card. - Die Programmierung von speicherprogrammierbaren Steuerungen ist in der DIN EN genormt. - Weit verbreitete Programmiersysteme sind CoDeSys der Fa. 3S-Smart Software Solutions und STEP 7 der Siemens AG. - Im Gegensatz zu CoDeSys weicht STEP 7 teilweise von der DIN EN ab. - In der Vorlesung wird nur die Siemens STEP 7 Semantik behandelt. 36

10 2.2.3 Programmiersprachen Programmiersprachen gemäß DIN EN Ablaufsprache AS Textsprachen Grafische Sprachen Anweisungsliste AWL Strukturierter Text ST (bei STEP 7 SCL) Funktionsbausteinsprache FBS (bei STEP 7 FUP) Kontaktplan KOP 37

11 2.2.3 Programmiersprachen Beispiele für Programmiersprachen gemäß DIN EN , für STEP 7 (1) Ersatzschaltung: L 1 S 1 S 2 S 3 Aktivierung durch Drücken von S 1 und S 2 oder geschlossen lassen von S 3. N

12 2.2.3 Programmiersprachen Beispiele für Programmiersprachen gemäß DIN EN , für STEP 7 (2) Umsetzung in verdrahtete SPS: + SPS - E A S 1 S 2 S

13 2.2.3 Programmiersprachen Beispiele für Programmiersprachen gemäß DIN EN , für STEP 7 (3) U E 0.0 U E 0.1 ON E 0.2 = A 4.0 Anweisungsliste AWL Strukturierter Text SCL A4.0= E0.0 AND E0.1 OR NOT E0.2; Quelle: Wellenreuther G.; Zastrow D.: Automatisieren mit SPS in Theorie und Praxis, Vieweg 2008, Wiesbaden. 40

14 2.2.3 Programmiersprachen Beispiele für Programmiersprachen gemäß DIN EN , für STEP 7 (4) Funktionsplandarstellung FBS (FUP bei STEP 7) E0.0 E0.1 & E0.2 >=1 A4.0 = Kontaktplandarstellung KOP E0.0 E0.1 E0.2 A4.0 ( ) Quelle: Wellenreuther G.; Zastrow D.: Automatisieren mit SPS in Theorie und Praxis, Vieweg 2008, Wiesbaden. 41

15 2.2.4 Programmaufbau und Variablendeklaration In der SPS-Norm DIN EN ist festgelegt, dass in Programmen Variablen deklariert werden und nicht mehr wie früher üblich nur die direkten SPS-Operanden (Eingänge und Ausgänge) verwendet werden. Folgende Code- und Datenbausteintypen stehen in Step 7 zur Verfügung: Code-Bausteintypen (Programm) Datenbausteintypen (Daten) Organisationsbaustein (OB) Funktionsbaustein (FB) Funktion (FC) Instanz-DB (DB) Global-DB (DB) 42

16 2.2.4 Programmaufbau und Variablendeklaration - Organisationsbaustein (OB): Oberste Hierarchieebene der Code-Bausteintypen. Verbindet die Ein- und Ausgangsvariablen mit den SPS-Ein- und Ausgängen und ermöglicht den Aufruf von Funktionsbausteinen und Funktionen. - Funktionsbaustein (FB): Ermöglicht aus den Werten von Eingangs- und Ausgangsvariablen sowie bausteininterner Zustandsvariablen neue Werte der Ausgangsvariablen zu berechnen. Alle Werte der Zustands- und Ausgangsvariablen bleiben bis zur nächsten Bearbeitung des Funktionsbausteins erhalten. Es ist möglich, Instanzen von Funktionsbausteinen anzulegen, damit können die Variablenwerte auf separaten Speicherplätzen verwaltet werden. Der FB besitzt ein Gedächtnis. 43

17 2.2.4 Programmaufbau und Variablendeklaration - Funktion (FC): Ermöglicht die Berechnung eines Ergebnisses abhängig von den Eingangsund Ausgangsgrößen. Es können keine internen Zustandsvariablen genutzt werden. Der Baustein FC besitzt kein Gedächtnis. - Instanz-DB (DB): Datenbaustein-Typ auf den die Funktionsbausteine zugreifen. Ist diesen fest zugeordnet. - Global-DB (DB): Datenbaustein-Typ auf den alle Code-Bausteine zugreifen können. Die Global-DB kann z.b. Tabellenwerte enthalten. 44

18 2.2.5 Programmtypen Typen von SPS-Programmen (1): - Lineares Programm Programm Programmbearbeitung Quelle: Wellenreuther G.; Zastrow D.: Automatisieren mit SPS in Theorie und Praxis, Vieweg 2008, Wiesbaden. 45

19 2.2.5 Programmtypen Typen von SPS-Programmen (2): - Strukturiertes Programm Programm LD Var1 FC 10 Var2 ST Var3 LD Var5 FC 20 Var6, Var7 ST Var 8 FC10 A B FC20 D E F Quelle: Wellenreuther G.; Zastrow D.: Automatisieren mit SPS in Theorie und Praxis, Vieweg 2008, Wiesbaden. 46

20 2.2.6 Zuordnungs- und Funktionstabelle Beispiel: Schaltung mit Selbsthaltung (1) L 1 S 1 S 2 K 1.1 K 1.2 P - Aktivierung durch Drücken von S 2 Selbsthaltung durch K Deaktivierung durch Drücken von S 1 K 1 47

21 2.2.6 Zuordnungs- und Funktionstabelle Zur Analyse einer gegebenen Aufgabenstellung und letztendlich dem Erstellen einer Verknüpfungssteuerung ist immer in folgenden Schritten vorzugehen: 1. Erstellung einer Zuordnungstabelle mit den Angaben Variablenart (Eingangs-, Ausgangsvariable etc.), Symbol, Datentyp, Logische Zuordnung und ggf. Adresse 48

22 2.2.6 Zuordnungs- und Funktionstabelle 2. Erstellung einer Funktionstabelle mit der in Punkt 1. festgelegten Konvention. Kochrezept: Die Eingangsgrößen von rechts nach links in aufsteigender Indizierung eintragen Start mit dem logischen Zustand Von rechts mit 1 aufsteigend auffüllen, d.h. die erste Variable wechselt nach jeder Zeile den Zustand, die zweite Variable nach jeder zweiten Zeile, die dritte Variable nach jeder vierten Zeile usw. Durchnummerierung der Zeilen entsprechend der Eingangsnummerierung oktal durchnummerieren. Vorgehensweise: von rechts beginnend stets 3 Werte der dualen Eingangssignalbelegung verwenden und daraus eine Dezimalzahl ermitteln Ergänzung der Ausgangszustände in der Tabelle 49

23 2.2.6 Zuordnungs- und Funktionstabelle Beispiel: Schaltung mit Selbsthaltung (2) 1. Zuordnungstabelle erstellen Eingangsvariable Symbol Datentyp Logische Zuordnung Adresse Schalter 1 S 1 Bool Schalter betätigt S 1 =1 E 0.1 Schalter 2 S 2 Bool Schalter betätigt S 2 =1 E 0.2 Ausgangsvariable Lampe P Bool Lampe brennt P=1 A

24 2.2.6 Zuordnungs- und Funktionstabelle Beispiel: Schaltung mit Selbsthaltung (3) P Eingangsvariable Symbol Datentyp Logische Zuordnung Adresse Schalter 1 S 1 Bool Schalter betätigt S 1 =1 E 0.1 Schalter 2 S 2 Bool Schalter betätigt S 2 =1 E 0.2 Ausgangsvariable Lampe P Bool Lampe brennt P=1 A Funktionstabelle erstellen Zeile S 2 S 1 P , falls S 1 zuvor betätigt wurde 1, falls S 2 zuvor betätigt wurde Der Zustand von P hängt nicht nur vom aktuellen Zustand von S 1 und S 2 ab. 51

25 2.2.6 Zuordnungs- und Funktionstabelle Beispiel: Schaltung mit Selbsthaltung (4) Lösungsansatz für SPS-Programmierung: Benutzen des Ausganges vom vorherigen Abarbeitungszyklus als Eingangsgröße Zeile P *) S 2 S 1 P *) Vom vorherigen Abarbeitungszyklus 52

26 2.2.6 Zuordnungs- und Funktionstabelle Aufstellen der Disjunktiven Normalform ( Und vor Oder Normalform) Kochrezept zur Ermittlung der Schaltfunktion: Markieren der Zeilen, bei denen die Ausgangsgröße den Wert 1 hat Verknüpfen aller Zustände mit Und (muss nicht extra notiert werden) die den Ausgang beeinflussen (= Zeilenverknüpfung ). Hierbei wird bei dem Wert 1 die entsprechende Zustandsgröße, bei 0 die negierte Zustandsgröße eingetragen Verknüpfen aller Zeilenverknüpfungen mit Oder (= ) Beispiel: Schaltung mit Selbsthaltung (5) Zeile P *) S 2 S 1 P *) Vom vorherigen Abarbeitungszyklus 53

27 2.2.6 Zuordnungs- und Funktionstabelle Ermittlung der Schaltfunktion mit Hilfe der Disjunktiven Normalform: P=PS S PS S PS S Vereinfacht: P=PS S S S & (P S ) Die Vereinfachung der logischen Verknüpfung kann entweder mit Hilfe von algebraischen oder grafischen Verfahren (KVS-Diagramm) erfolgen. Beispiel: Schaltung mit Selbsthaltung (6) Zeile P *) S 2 S 1 P * * * *) Vom vorherigen Abarbeitungszyklus 54

28 2.2.7 Speicherverhalten Falls die Ausgangsgröße von weiteren internen Zustandsgrößen und damit nicht nur von der Ausgangsgröße des jeweiligen Codebausteins des letzten Zyklusses abhängt, muss mit Zustandsvariablen gearbeitet werden. Diese Möglichkeit bietet der Funktionsbaustein (FB). In Step 7 sind folgende Grundfunktionen realisiert: - Speicherfunktion mit vorrangigem Rücksetzen - Speicherfunktion mit vorrangigem Setzen 55

29 2.2.7 Speicherverhalten Speicherfunktion mit vorrangigem Rücksetzen: S SR R Q Beispiel für das Verhalten: 1 S 0 1 R 0 1 Q 0 Zeit 56

30 2.2.7 Speicherverhalten Speicherfunktion mit vorrangigem Setzen: R RS S Q Beispiel für das Verhalten: 1 S 0 1 R 0 1 Q 0 Zeit 57

31 2.2.8 Zeitoperationen In Step 7 sind drei Standard-Zeitgeberbausteine gemäß der Norm DIN EN im Betriebssystem der CPU integriert: Step7: SFB3 Step7: SFB4 Step7: SFB5 Quelle: Wellenreuther G.; Zastrow D.: Automatisieren mit SPS Übersichten und Übungsaufgaben, Vieweg 2009, Wiesbaden, S

32 2.2.8 Zeitoperationen Darüber hinaus sind im Funktionsumfang von Step 7 noch folgende zusätzliche Zeitfunktionen als Ergänzung zu den Grundfunktionen enthalten: - Impuls - Verlängerter Impuls - Einschaltverzögerung - Speichernde Einschaltverzögerung - Ausschaltverzögerung Aus Wellenreuther G. und Zastrow D., Automatisieren mit SPS in Theorie und Praxis. 59

33 2.2.9 Zähloperationen In Step7 sind folgende grundlegende Zählerbausteine enthalten, mit deren Hilfe Ereignisse (=steigende Flanke) erfasst werden können: Aufwärts-Zähler (SFB0) Abwärts-Zähler (SFB1) Auf-Abwärts-Zähler (SFB2) Quelle: Wellenreuther G.; Zastrow D.: Automatisieren mit SPS Übersichten und Übungsaufgaben, Vieweg 2009, Wiesbaden, S

34 Lernzielkontrolle zu 2 - Kenntnis über Arten von Steuerungen - Benennung der Programmiersprachen einer speicherprogrammierbaren Steuerung gemäß DIN EN Kenntnis über die zwei grundlegenden Steuerungsarten einer speicherprogrammierbaren Steuerung - Kenntnis über die Code- und Datenbausteine von Step 7 - Kenntnis über Zeitoperationen einer speicherprogrammierten Steuerung am Beispiel Step 7 - Kenntnis über Zählfunktionen einer speicherprogrammierten Steuerung am Beispiel Step 7 - Fähigkeit eine Zuordnungs- und Funktionstabelle aufzustellen und die disjunktive Normalform zu bilden inkl. Vereinfachung 61