iec 61131 – ein abstraktes modell eines prozessrechners · din en 61131 ein abstraktes,...
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DIN EN 61131 Ein abstraktes, vereinheitlichendes Modell einer speicherprogrammier-baren Steuerung (SPS)
Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Automatisierungstechnik, Professur Prozessleittechnik
VL Prozessleittechnik I (SS 2012) Professur für Prozessleittechnik
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Übersicht
• Einführende Beispiele der Anlagensicherung • Speicherprogrammierbare Steuerungen • DIN EN/IEC 61131 Modell
– Architekturmodell – Programmorganisationseinheit – Variablenzugriffe
• DIN EN/IEC 61131 Fachsprachen (nächster Termin)
– Textorientierte Fachsprachen – Grafische Fachsprachen
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Beispiel 1: Turboverdichter (Stohrmann 2004, S.13)
•Abschaltung –Enddruck hoch (PZ+ 1) –Saugdruck tief (PZ- 1) –Öldruck tiefst (PS-Z-- 3) –Füllstand tief (LZ+ 1) –Durchfluss tief (FZ- 1)
•Einschalten Hilfsölpumpe –Öldruck tief (PS-Z-- 3)
•Einschalten verriegeln –TV zu heiß (TA+Z++ 1) –Öl zu kalt (TZ- 2) –Umgang zu (GZ- 1)
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Beispiel 2: Industrieofen (Strohrmann 2004, S.14)
•Betriebstemperatur unter 650°C
–Keine sichere Zündung nach kurzzeitigem Ausfall vor der Bildung eines explosiven Gemisches
•Gas- und Luftmangelsicherung
–PZ- 1 –PZ- 2
• Flammenwächter –XZ- 1; 2 von 2
•Rückzündungsvermeidung –QZ+ 1; 1 von 2
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Elemente von Sicherungseinrichtungen (Strohrmann 2004, S.16)
• Aufnehmer, Messsignalkanal, Messumformer Grenzsignalgeber, Signalverarbeitung Meldekanal mit Meldern, Auslösekanal mit Auslösern
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Verbindungsprogrammierte Steuerung
•Verdrahtung von –Relais –Schütz
•Vorteil –Parallele Verarbeitung
aller Signale •Nachteil:
–Verdrahtung = Programm –Änderung der Logik:
Änderung der Verdrahtung notwendig!
K1
K1 K1 S1
S2
S3
S4
H1
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Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)
•Rechner mit Ein/Ausgängen
•Rechentechnische Verknüpfung der Signale
–Nur quasiparallele Abarbeitung möglich (CPU=SISD)
–Änderung der Logik: Lediglich Neu-programmieren des Steuerprogramms notwendig
Automatisierungseinheit
S3 S2 S4 S1
H1
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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 setze Ausgang A 8.5 auf 0
• Umsetzung in AWL Programmiersprache ( IEC 61131) • LD %IX5.2 ; Lade Bitwert von Eingang 5.2 • AND %IX4.7 ; UND-Verkn. mit Eingang 4.7 • ST %QX8.5 ; Ergebnis nach Ausgang 8.5
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Sicherheitsgerichtete Funktionen der Leittechnik
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Definition SPS DIN EN 61131 Teil 1
• „[…] Ein digital arbeitendes elektronisches System für den Einsatz in industriellen Umgebungen mit einem programmierbaren Speicher zur internen Speicherung der anwenderorientierten Steuerungsanweisungen zur 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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I&KT rund um die SPS
SPS
Aktoren Sensoren
Feldbusse
Aktoren
Sensoren
SPS
Visualisierung Prozeßrechner
Speicherprogrammierbare Steuerungen
• Befehlssatzarchitektur • Funktionsweise • Zykluszeiten
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Ein Blick in das Steuergerät
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Zyklische Funktionsweise (SPS-Modus)
Initialisierung ProzessabbildAusgänge
Einlesen der Eingänge ProzessabbildEingänge
Abarbeiten von Operationen der Programmbausteine
Typische Bearbeitungszeiten: 1µs Bitoperationen 2µs Wortoperationen12µs Zeit/Zähloperationen 3µs Festpunktaddition50µs Gleitpunktaddition
Schreiben der AusgängeProzessabbild
Ausgänge
Eingänge
Ausgänge
Ausgänge
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Prozessabbild
• Speicherbereich zur Aufnahme der Signalwerte der Ein- und Ausgänge
– Eingabewerte werden zu Beginn eingelesen, zwischenzeitliche Änderungen während Programmzyklus ignoriert!
– Ausgabewerte werden zwischengespeichert, d.h. Änderungen während der Programmabarbeitung sind nach außen nicht sichtbar!
• Manche SPSen erlauben direkten Zugriff auf die Prozesssignale
– Üblicherweise langsamer als direkter Zugriff auf PA – In IEC61131 nicht standardisiert
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Minimale Impulszeit, maximale Reaktionszeit
LD %IX0.1ST %QX0.1
... ...
Eingängelesen
Ausgängeschreiben
Zykluszeit
%IX0.1
%QX0.1
Worst Case Reaktionszeit= 2 x Zykluszeit
Impuls zu kurz
Komponenten einer modularen SPS
• Übersicht • Baugruppen • Zykluszeiten
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Modularer Aufbau einer SPS
CPU-Baugruppe
Eingangsbaugruppen
Ausgangsbaugruppen
Kommunikationsbaugruppen
Funktionsbaugruppen
Stromversorgung
optional
Programmier- gerät
Bedieneinheit
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Stromversorgung
• Bereitstellung der Betriebsspannung
– 5 / 10 / 24V • Ggf. zusätzliche Wandler
für Leistungsbaugruppen • Batterie zur
Speicherpufferung
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CPU-Baugruppe
•Prozessor •Speicher •Schlüsselschalter •EPROM mit Programm (optional) •Speicherkarte •Programmierschnittstelle (optional)
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Eingabebaugruppen
•Digitaleingabebaugruppen –DC 24 V, AC 120/230 V, f<50 Hz –Potentialtrennung mit Optokopplern –Entstörmaßnahmen –Lokale Anzeige mit Leuchtdioden
•Analogeingabebaugruppen –Spannung (+- 10V) –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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Ausgabebaugruppen
•Digitalausgabebaugruppe –Lastspannung DC24V, AC120/230V –Spezifizierte Strombelastbarkeit –Potenzialtrennung –Lokale Anzeigen –f < 100 Hz
• Analogausgabebaugruppen –Spannung (+- 10 V) –Strom (0 bis 20 mA) –Auflösung 12-15 bit –Alarmierung bei Fehlern
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Kommunikationsbaugruppen
•Feldbusse (ASI, Profibus ...) •Industrial Ethernet •Programmierschnittstellen •Serielle Schnittstellen
–RS232, RS422, RS485 –z.B. für Waagen
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Funktionsbaugruppen
•Positionierbaugruppen •Reglerbaugruppen •Nockensteuerwerke •Zählerbaugruppen •Uhrenbaugruppen •Bildauswertungsmodul •usw.
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Bedieneinheiten
•Operator Panels •Touch Screens •Text Displays •Tastaturen
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Programmiergeräte
•Handprogrammiergeräte: –kleinere Projekte, z.B. Fehlersuche, Kontrolle und Anpassung vor Ort –überwiegend textbasierte Programmierung
•Bildschirmprogrammiergeräte –große Funktionalität –gute Debugging-Möglichkeiten –übersichtliche Darstellung –grafische Programmierung –Simulation
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Gibt es die SPS?
• Mehr als 100 verschiedene Hersteller • Verschiedene Grundtypen
– Modulare SPS: Wie vorgestellt, Bausteinkonzept – Kompakt SPS: alle Funktionen in einem Block – Slot SPS: SPS als Steckkarte eines Industrie PCs – Soft SPS: SPS als Software auf einem Industrie
PC, 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.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
www.siemens.de www.moeller.net
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Kompatibilitätsprobleme
• Viele (>100) Hersteller von SPS, mit proprietären Standards, 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 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 fest.
– Begriffsbestimmungen und Funktionsmerkmale – Elektrische, mechanische und funktionelle
Anforderungen – Fünf Programmiersprachen – Anwenderrichtlinien für alle Projektphasen – Kommunikation von SPSen unterschiedlicher Hersteller
• Die Implementierung der Norm ist bei den Herstellern noch nicht abgeschlossen !
• PLCOpen – Gesellschaft zur Förderung herstellübergreifender PLC-Programmierung
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Ein wenig Geschichte… (John & Tiegelkamp 2001)
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61131-3 SPS-Softwaremodell
Konfiguration
RessourceRessourceTask Task
Programm Programm
FB FB
Task Task
Programm Programm
FB FB
Global und direkt dargestellte Variablen und Instanz-spezifische Initialisierungen
Zugriffspfad
Pfad des Variablenzugriffs
Variable
Pfad der Ausführungs-Steuerung
FunktionsbausteinFB
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61131-3 Softwaremodell
• Konfiguration: – SPS-System, enthält ggf. mehrere Ressourcen (~SPS)
• Ressource: – Signalverarbeitungsfkt incl. Sensor/Aktorschnittstellen
(~CPU+IO-Bus) – Enthält ggf. mehrere Programme
• Programm – wird unter Steuerung von Tasks ausgeführt – Kann mehrere Funktionsbausteine oder andere
Sprachelemente enthalten
Konfiguration
RessourceRessourceTask Task
Programm Programm
FB FB
Task Task
Programm Programm
FB FB
Global und direkt dargestellte Variablen und Instanz-spezifische Initialisierungen
Zugriffspfad
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61131-3 Softwaremodell: Starten/Stoppen von Konfiguration und/oder Ressourcen
• Starten einer Konfiguration – 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 – Sperren aller Tasks
• Stoppen einer Konfiguration – Stoppen aller Ressourcen
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Anfangswerte der Variablen beim Starten eines Konfigurationselements
• Verschiedene Anfangswerte möglich: – gepufferter Wert (als das KE gestoppt wurde - RETAIN), – anwender-spezifizierten Anfangswert, – voreingestellter typ-spezifischer Anfangswert
• Regeln zur Ermittlung des Anfangswertes – Warmstart: gepufferte V nehmen gepufferte Werte an – Kaltstart: gepufferte V nehmen anw-spez Wert ein,
wenn nicht definiert typ-spez Wert – Nichtgepufferte V nehmen anw-spez Wert ein, wenn
nicht definiert typ-spez Wert – Eingangsvariblen werden implementierungsabhängig
initialisiert
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Wiederanlauf nach Spannungsausfall oder Störung
• Kaltstart: Alle dynamischen Daten (Variablen, Register, Zähler, Zeitglieder, Prozessabbid) werden auf definierten Zustand zurückgesetzt
– Automatisch oder manuell • Warmstart: Wiederanlauf von einem vorbestimmten
Zustand des Anwendungsprogramms und vorbestimmer Menge an Rest-Daten
– Status-Merker zur programmtechnischen Berücksichtigung
• 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 – Globalen und lokale Variablen – Kann FB und FC aufrufen
• Funktionsbaustein (FB): Baustein – Eingangs- und Ausgangsvariablen – statische Variablen (= Gedächtnis) – Kann FB und FC aufrufen
• Funktion (FC): Unterprogramm – Eingangs- und Ausgangsvariablen – Darf keine internen Zustandgrößen besitzen – Kann weitere FC aufrufen