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
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.22 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Beispiel klassischer Ablauf-steuerung: Chargenprozess
Rezeptfahrweise mit 2 Rezepten
Quelle: Uhlig
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.23 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Beispiel Ablaufsteuerung
Ablaufdiagramm Teil 1mit Starttransition
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.24 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
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
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.26 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Rezeptbeschreibung
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.27 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Ablaufsteuerung
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.28 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
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