Grundlagen Der SPS-Programmierung / Prozessinformatik

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Grundlagen der SPS-Programmierung /ProzessinformatikSkriptum zum weiterbildenden Kurs im Rahmen des ProjektsOTH mind2017Prof. Dr. Wolfgang BockOTH mind –BMBF Verbundprojekt

G RUNDLAGEN DERSPS-P ROGRAMMIERUNG /P ROZESSINFORMATIKSkriptum zum weiterbildenden Kursim Rahmen des ProjektsOTHmindP ROF. D R . W. B OCKO STBAYERISCHE T ECHNISCHE H OCHSCHULE R EGENSBURGFAKULT ÄT M ASCHINENBAUMAILTO : WOLFGANG . BOCK @ OTH - REGENSBURG . DES TAND : 9. JANUAR 2018Copyright: Dieses Skriptum wird im Rahmen des Projekts OTHmind als kostenlose Lehrunterlage zur Verfügung gestellt.

Grundlagen der SPS Programmierung /ProzessinformatikProf. Dr. W. BockInhaltsverzeichnis1 Einführung und Grundbegriffe1.1 Technischer Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.1.1 Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.1.2 Typisierung von technischen Prozessen . . . . . . . .1.2 Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.2.1 Begriffsdefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.2.2 Grundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.2.3 SPS als Steuerungsgerät der Industrieautomatisierung .1.2.4 Verteilte Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . .1.3 Übersicht zu Normen und Programmiersprachen . . . . . . . .1.3.1 IEC 61131 - Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.2 IEC 61131 - Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.3 IEC 61131 - Programmiersprachen . . . . . . . . . .2223667911161720292 Beschreibungsmittel der Prozessinformatik2.1 Algebraisch-logische Beschreibungsmittel . . . . . . . .2.1.1 Elementare Verknüpfungen boolscher Variablen .2.1.2 Zusammengesetzte Verknüpfungen . . . . . . .2.1.3 Boolsche Anweisungen in AWL, FUP und KOP .2.1.4 Logische Verknüpfungen von Bitstrings . . . . .2.1.5 Arithmetik und Analogwertverarbeitung . . . . .2.1.6 Typkonvertierungen . . . . . . . . . . . . . . .2.1.7 Vergleichsausdrücke . . . . . . . . . . . . . . .2.1.8 Bedingte und unbedingte Programmverzweigung2.1.9 Schleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2 Schaltwerkprogrammierung . . . . . . . . . . . . . . .2.2.1 Zustandsautomaten . . . . . . . . . . . . . . . .2.2.2 Datenspeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2.3 Flipflop als Speicher für 1 Bit . . . . . . . . . .2.2.4 Flankenauswertung . . . . . . . . . . . . . . . .2.2.5 RS-Flipflops als Zustandsspeicher . . . . . . . .2.2.6 Zeitgeber (Timer) . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2.7 Zähler (Counter) . . . . . . . . . . . . . . . . .343435394447515657636769707481879194973 Programmstrukturierung und Programmorganisation3.1 Funktion-POE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.1.1 Allgemeine Eigenschaften der Funktionen . . . .3.1.2 Deklaration einer Funktion . . . . . . . . . . . .3.1.3 Aufruf von Funktionen . . . . . . . . . . . . . .3.1.4 Standardfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . .102102102102104108II

Grundlagen der SPS Programmierung /Prozessinformatik3.23.3Prof. Dr. W. BockFunktionsbaustein-POE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2.1 Allgemeine Eigenschaften von Funktionsbausteinen3.2.2 Deklaration eines Funktionsbausteins . . . . . . . .3.2.3 Instanziierung und Aufruf von Funktionsbausteinen .3.2.4 Standardisierte Funktionsbausteine . . . . . . . . .Programm-POE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3.1 Allgemeine Eigenschaften von Programm-POEs . .3.3.2 Deklaration eines Programms . . . . . . . . . . . .3.3.3 Taskverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Programmiertechniken4.1 Schrittkettenprogrammierung . . . . . . . . . . .4.1.1 Normelemente der grafischen Darstellung4.1.2 Realisierung von Schrittketten . . . . . .4.1.3 Programmbeispiele . . . . . . . . . . . .4.2 Strukturierte Hochsprachenprogrammierung . . .4.2.1 Struktogramme . . . . . . . . . . . . . .4.2.2 Strukturblock Verarbeitung . . . . . . . .4.2.3 Strukturblock Auswahl . . . . . . . . . .4.2.4 Strukturblock Wiederholung . . . . . . .4.2.5 Kombination von Strukturblöcken . . . .4.2.6 Ausdrücke und Anweisungen . . . . . .4.2.7 Auswahl- und Fallunterscheidung . . . .4.2.8 Schleifen . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.9 Aufruf von POEs . . . . . . . . . . . . 1321321331341351361371395 Kommunikationstechniken1415.1 Dezentralisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.1.1 Bussysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1435.1.2 Das ISO/OSI-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1466 Visualisierungstechniken6.1 Visualisierung mit OPC . . . . . . . . . . . . . . .6.1.1 OPC Unified Architecture . . . . . . . . .6.2 Visualisierungslösungen am Beispiel von CoDeSys6.2.1 Visu-Projektvarianten . . . . . . . . . . . .6.3 Erstellen einer Visualisierung . . . . . . . . . . . .III.148148149150150153

Grundlagen der SPS Programmierung /ProzessinformatikProf. Dr. W. BockThemaDie Prozessinformatik ist eine Disziplin der angewandten Informatik. Sie versteht sich alsein Bindeglied zwischen der Kern-Informatik und der Außenwelt. Das Ziel besteht in derAnalyse von technischen Prozessen und in deren Einflussnahme, soweit das im technischenRahmen möglich ist.Die am häufigsten vertretene Hardware-Plattform zur Steuerung von technischen Prozessenin der Industrie ist die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Im Prinzip handelte essich um einen robusten industriellen Computer mit einem hersteller-spezifischen Betriebssystem.In diesem Kurs werden nicht nur typisch informatorische Dinge wie universelle sowie spezielle Algorithmen und deren Hardware-Realisierung vermittelt, sondern auch Kenntnisseüber die Prozesse, die als Objekt dienen.Die Lehrveranstaltung ist umfasst auch die Beschreibung von Hard- und Softwarekomponenten für SPSen und einen Ausblick auf Datenkommunikation über Bussysteme und Prozessdatenvisualisierung.ZieleLernziele: Erwerb von Grundkenntnissen der SPS- und Automatisierungstechnik. Umgang mit Begriffen aus dem Bereich der technischen Prozesse. Informationsverarbeitung in Prozessrechnern: Zeitliche Koordination, Echtzeitsysteme, Taskkonzept. Kennenlernen der standardisierten Programmiersprachen für SPSen gemäß IEC61131-3 Beschreibungsmethoden der Automatisierung: Netzwerke, Schaltwerke, Ablauf- undZustandssteuerungen Organisation von Steuerungsprogrammen: Programme, Funktionsbausteine, Funktionen Prozessvisualisierung BuskommunikationKompetenzen: Fähigkeit zur Abstraktion und Analyse einer Automatisierungsproblemstellung undUmsetzung in SPS-Programme mit geeigneten EntwurfsmethodenIV

Grundlagen der SPS Programmierung /ProzessinformatikProf. Dr. W. Bock Fähigkeit zur Programmierung eines Steuerungsalgorithmus in den Sprachen Anweisungsliste, Funktionsbausteinsprache, Strukturierter Text und Ablaufsprache Aufstellung von Wahrheitstabellen, Zustandsfolgetabellen, Ablauf- und Zustandsgrafen für Steuerungsaufgaben1

Grundlagen der SPS Programmierung /ProzessinformatikProf. Dr. W. Bock1 Einführung und GrundbegriffeDie Automatisierungstechnik hat als wesentliche Aufgabe die Steuerung und Überwachungvon technischen Systemen. Ein System ist wiederum wie folgt (DIN 19226) charakterisiert:Ein System ist eine in einem betrachteten Zusammenhang gegebene Anordnung von Ge”bilden, die miteinander in Beziehung stehen. Diese Anordnung wird auf Grund bestimmterVorgaben gegenüber ihrer Umwelt abgegrenzt.“Wesentliches Charakteristikum eines (technischen) Systems sind die darin ablaufenden(technischen) Prozesse.1.1 Technischer Prozess1.1.1 BegriffsbestimmungUnter einem technischen Prozess versteht man den Vorgang einer Zustandsänderung in einem technischen System.ZustandsänderungTechnischer rungssystemZielzustandZielvorgabe(a) Gewünschte Kennzeichen Die Prozesse laufen zielgerichtet und nicht zufällig bzw. unkontrolliert ab. Ein Zielzustand wird gemäß Vorgabe durch das Überwachungs- bzw. Projektierpersonal erreicht.2

Grundlagen der SPS Programmierung /ProzessinformatikProf. Dr. W. Bock Zeit- und Qualitätsvorgaben werden eingehalten.(b) Ziele Entlastung des Menschen Produktivitätssteigerung Qualitätsverbesserung, Erhöhung der Zuverlässigkeit Neuartige Lösungen(c) Probleme Prozessbeschreibung ist nicht vollständig Unvollständige Erfassung von Einflussparametern Fehlerfreiheit des SteuerungsprogrammesBeeinflussenVisualisierenEin technisches System umfasst alle technischen Prozesse in einem abgegrenzten Raum.Technischer ProzessgrößenZufluss desVerarbeitungsgutesTechnisches System(Anlage)größentemgrenzenMessenStellenim SystemAusgangs-Abfluss desSysEingangs-Verarbeitungsgutes1.1.2 Typisierung von technischen ProzessenFolgende Unterscheidungskriterien lassen sich heranziehen:(a) Art des VerarbeitungsgutesMan unterscheidet beim Verarbeitungsgut reale (massebehaftete) Materialien, Stoffeals Energieträger und abstrakte Informationen.3

Grundlagen der SPS Programmierung /ProzessinformatikProf. Dr. W. Bock Materialprozesse– Förderprozesse: Produkte werden von Position A nach Position B befördert,z.B. Paketverteilung– Verfahrenstechnische Prozesse: Mehrere Ausgangsstoffe (Edukte) werden inForm und Substanz verändert und zu neuen Produkten veredelt, z.B. chemische Prozesse– Fertigungsprozesse: Produkte werden gefertigt und bearbeitet, z.B. Montage Energieprozesse– Verbrauchsprozesse: Energieumwandlung, z.B. elektrische Antriebe– Verteilungsprozess: Energietransport, z.B. Ventilgesteuerte Druckluftbereitstellung Informationsprozesse– Kommunikationprozess: Informationstransport, z.B. Netze, Wirelesskommunikation– Rechenprozess: Informationsverarbeitung, z.B. digitaler Regler– Speicherprozess: Informationshaltung, z.B. Videoaufzeichnung(b) die VerarbeitungsartUnabhängige vom Verarbeitungsgut ist die Art der Verarbeitung zu unterscheiden: Transport Umformung Speicherung(c) Verlauf von Zuständen und EreignissenHier wird nach der Art der zu erfassenden Zustandsgröße unterschieden. Kontinuierlicher (stetiger) Prozess– Die Zustandsgröße ist verändert sich in Zeit und/oder Ort kontinuierlich.Beispiele: Druck, Temperatur oder Konzentration in VerfahrenstechnischenAnlagen.– Beschreibung mit mathematisch-analytischen Modellen zur Regelung derZustandsgrößen Diskreter (unstetiger) Prozess– Folge von Einzelereignissen, die nacheinander oder parallel ablaufen,z.B. Stückprozesse, Folgeprozesse, abgrenzte Fertigungsschritte4

Grundlagen der SPS Programmierung /ProzessinformatikProf. Dr. W. Bock– Beschreibung mit logischen Gleichungen (Schaltnetzen), Zeit- und Speichergliedern (Schaltwerken) sowie Ablaufplänen Hybride ProzesseDie Mehrzahl der technischen Prozesse stellt eine Mischform dar. In diskretenZeitabständen laufen kontinuierliche Prozesse ab.(d) Art des Auftretens von ZustandsveränderungenRelevant ist hier der Zeitpunkt der Erfassung einer Zustandsgröße Deterministische ProzesseZeitliche Abfolge ist fest und vorhersagbar, z.B. Fertigungsprozess Stochastische ProzesseZeitliche Abfolge ist nicht vorhersagbar. Prozesse gehorchen den Gesetzen derStatistik, z.B. StraßenverkehrIn der Praxis liegen häufig Kombinationen von Elementarprozessen vor, die zu komplexenGesamtsystem führen. Die Steuerung der Elementarprozesse ist am Grundtyp auszurichten.Ein Automatisierungssystem ist i. d. R. hierarchisch aufgebaut und umfasst mehrere Prozessabstraktionsebenen.Hierarchiestufen: Elementarprozess: Es liegt genau eine Verarbeitungsart und ein Verarbeitungsgut vor.Alternativ spricht man auch von einem Prozessbaustein. Einzelprozess: Kleinste geschlossene Prozesseinheit, zusammengesetzt aus Elementarprozessen. Verbundprozesse: Zusammenfassung verschiedener Verarbeitungsbereiche in einemBetrieb oder einer Anlage. Betriebsprozess: Umfasst alle Verarbeitungsbereiche in einem Unternehmen oder UnternehmensteilAls Beispiel sei eine industrielle Waschmaschine für genannt. Ein Verbundprozess würdealle möglichen Einzelprozesse umfassen: Waschen Spülen Schleudern HeißtrocknenDer Einzelprozess Waschen“ setzt sich nach Füllen der Waschtrommel wiederum aus den”Elementarprozessen zusammen:5

Grundlagen der SPS Programmierung /ProzessinformatikProf. Dr. W. Bock Wasser zuführen Waschmittel zuführen Waschvorgang (Trommelrotation) über bestimmte Zeit .2 Automatisierung1.2.1 BegriffsdefinitionUnter dem Begriff Automatisierungstechnik versteht man die Disziplin, die sich mit derÜberwachung und Steuerung von technischen Systemen befasst.In der industriellen Praxis wird mit dem Begriff Automatisierung allgemein das Umstellenvon fertigungs- und verfahrenstechnischen Prozessen auf selbsttätig ablaufende Vorgängeverstanden.Das technisches System wird durch eine aufgabenspezifischen Fertigungs- oder Prozessanlage (kurz: Anlage) gebildet, die mit einem oder mehreren Automatisierungsgeräten (Automatisierungseinrichtung) verbunden wird. Dazu sind Schnittstellenkomponenten zwischen Anlage und Automatisierungsgerät einzurichten. Diese Schnittstellen bilden Sensoren,Akt(uat)oren und Kommunikationseinrichtungen.6

Grundlagen der SPS Programmierung /ProzessinformatikProf. Dr. W. BockAutomatisierungsprinzipAutomatisierungs gerätStellenIO rsteuerungSPS (IPC )Verteilte SteuerungWarenausgabeautomatVerbrennungsmotor im AutomobilFlaschenabfüllanlageFertigungsstraßeJe niedriger die geplante Anzahl an Exemplaren einer automatisierten Anlage desto spezifischer ist das Automatisierungsgerät ausgelegt. Bei hoher Anzahl werden die Hard- und Software des Automatisierungsgerätes exakt auf die Notwendigkeiten begrenzt, standardisierteKomponenten kommen nur begrenzt zum Einsatz.Mit steigender Komplexität der Prozessanlagen wird auf frei programmierbare Steuerungenmit modularen Funktionsbaugruppen und standardisierten Programmiertechniken zurückgegriffen.Im Nachfolgenden werden industrieübliche Standardautomatisierungsgeräte wie Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS/PLC) oder Industrie-PCs (IPC) und deren Funktionserweiterungen behandelt.1.2.2 GrundfunktionenAls Grundfunktionen eines Automatisierungssystems lassen sich folgende Begriffe a) Steuern Kennzeichen ist der offene Wirkungsablauf (open loop) über eine nicht in Echtzeit rückgekoppelte Wirkungsstrecke7

Grundlagen der SPS Programmierung /ProzessinformatikEreignisseAutomatisierungStell -ZuständeSteuerungsignalProf. Dr. W. BockFunktionAnlageZustände Die Eingangsgrößen stellen Ereignisse dar, die nach festgelegter Gesetzmäßigkeit die Funktion der Anlage bestimmen. Steuerungen kommen hauptsächlich bei unstetigen Systemen zum kontrolliertenAblauf eines Bearbeitungs- oder Prozessschrittes vor. Mögliches Problem: Die Auswirkung einer nicht vorhersagbaren Störgröße wirdnicht oder nicht schnell genug ausgeglichen.(b) Regeln Kennzeichen ist eine Rückführung mindestens einer Anlagenzustandsgröße aufdas Automatisierungsgerät und die Realisierung eines geschlossenen Wirkungsablaufs (closed loop). Diese Rückführung erfolgt in einem deterministischenZeitraster, d.h. der Zeitrahmen ist vorhersagbar bzw. vorbestimmt. Die Regelgröße (Messgröße, Istwert) muss fortlaufend erfasst werden und miteinem Sollwert verglichen werden.EreignisseZuständeAutomatisierungStell -RegelungsignalFunktionAnlageZustände Mögliches Problem: Da eine Stellsignaländerung an der Anlage meist erstverzögert zu einer Istwertänderung am Anlagenausgang führt, besteht durch dieRückkopplung über das Automatisierungsgerät eine Schwinggefahr.(c) Visualisieren Unter Visualisierung versteht man in der Automatisierungstechnik Bedien- undBeobachtungsbaugruppen zur Überwachung und zum Eingriff während eineslaufenden automatisierten Prozesses.8

Grundlagen der SPS Programmierung /ProzessinformatikProf. Dr. W. Bock Man unterscheidet mehrere Ebenen, ausgehend von Bedientableaus über Textund Grafikdisplays bis zu komplexen PC-gestützten Anlagendatenerfassungssystemen (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition)(d) Kommunizieren Bei komplexen Anlagen wird die Automatisierungsaufgabe an einzelne autarkarbeitende Komponenten (Prinzip der verteilten Automatisierung) übertragen,die allerdings untereinander Informationen austauschen müssen. StandardisierteKommunikationssysteme erlauben einen Datenaustausch auch zwischen Gerätenunterschiedlicher Hersteller. Die auszutauschenden Informationen umfasst die Übermittlung von Signalenzwischen Sensoren und Aktuatoren und dem Steuergerät, die Einbringung derSteuerprogramme von Programmiergeräten in die frei-programmierbaren Steuerungen sowie die Übermittlung von Statusmeldungen und Diagnoseinformationen in die übergeordnete Anlagenüberwachung. Für eine hohe Flexibilität werden weniger Punkt-zu-Punktverbindungen realisiertals vielmehr digitale BUS-Systeme (Binary Unit System) mit festgelegten Datentelegrammstrukturen. Im prozessnahen Bereich findet man sogenannte Feldbussemit Master-Slave- oder Multi-Master- Kommunikation vor.Daneben sind auch weitere Anforderungen durch das Automatisierungsystem zu erfüllen.Als besonders wichtig gelten: Zuverlässigkeit und hohe Verfügbarkeit Sicherheit (Safety); Vermeidung von Gefahren bzw. Schutz vor Verletzungen Sicherheit (Security); Datenintegrität und Ausschluss unerlaubter Zugriffe Gleichmäßigkeit und Reproduktionsqualität Wirtschaftlichkeit und ökonomische Fragen Umweltschutz und ökologische Fragen1.2.3 SPS als Steuerungsgerät der IndustrieautomatisierungObwohl die Varianten der Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) sich stark ausdifferenziert haben, sind einige grundlegende Gemeinsamkeiten zu nennen. Als wichtiges Steuerungselement dient die Zentraleinheit (CPU / Resource), einem speziellen Mikrocomputermit optimierten Eigenschaften für Automatisierungsaufgaben9

Grundlagen der SPS Programmierung /ProzessinformatikEingängeZentralbaugruppeProf. Dr. W. BockAusgängeSpeicherbereicheLadeund ProgrammDatenspeicherspeicherProzessabbildCode- ebssystemSignale (analog/digital)Signale (analog/digital)Steuer- und RechenwerkSchnittstellenProgrammier-, Bus, HMI-SchnittstellenEs sind drei Speicherarten zu unterscheiden:(a) Ladespeicher: Anwenderprogrammcode in Form von ausführbarem Objektcode. AlsSpeichermedium kommen entweder RAM oder FlashEPROM (Speicherkarten) in Frage.(b) Arbeitsspeicher: Er enthält im RAM das aktuelle Prozessabbild sowie die unterschiedlichen Variablen.(c) Systemspeicher: Hier befindet sich Betriebssystem und Systemprogramme; als Medium dient i.d.R. eine FlashPROM; ein Überschreiben oder Ändern ist nur in Form vonFirmware-Updates möglich.Als Besonderheit für SPSen ist der zyklische Programmablauf zu nennen. Mindestens einProgrammmodul läuft kontinuierlich, meistens ohne Wartezeit zwischen den Durchläufenab. Es gilt das sogenannte EVA- Prinzip: E: Eingänge (Sensoren) auslesen und ins Eingangsabbild kopieren; dies geschieht zueinem fixen Zeitpunkt V: Verarbeiten bzw. Abarbeiten des Programmcodes; das Eingangsabbild bleibtwährend dieses Prozesses ei

nenten fur SPSen und einen Ausblick auf Datenkommunikation uber Bussysteme und Pro- zessdatenvisualisierung. Ziele Lernziele: Erwerb von Grundkenntnissen der SPS- und Automatisierungstechnik. Umgang mit Begriffen aus dem Bereich der technischen Prozesse. Informationsverarbeitung in Prozessrechnern: Zeitliche Koordination .

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