Automaten in der Steuerungstechnik

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1 Schweizerische Gesellschaft für Automatik Association Suisse pour l Automatique Swiss Society for Automatic Control SGA/ASSPA/SSAC LernModul Automaten in der Steuerungstechnik Dr. J.P. Keller Institut für Automation, Fachhochschule Solothurn-Nordwestschweiz, Riggenbachstr. 16, 4600 Olten Tel , juerg.keller@fhso.ch, Automaten sind in Steuerungen überall präsent, auch wenn sie oft nicht als solche erkannt werden. Die Theorie der Automaten bietet dem Anwender geeignete Formalismen zur Beschreibung der Funktion. Meistens können die Automaten auch in diesem Formalismus programmiert werden und eine Analyse ist auch möglich. In diesem Modul sollen die Grundlagen der Automatentheorie gezielt auf ihre Anwendung in der Praxis hin beschrieben werden. Bewusst wird auf abstrakte Formalismen verzichtet und das Wissen anhand von Beispielen vermittelt.

2 Inhaltsverzeichnis 1 Automaten in der Steuerungstechnik Einführung Das Beispiel Die Ablaufsprache AS (engl. SFC) in IEC Elemente der Ablaufsprache AS Regel für das Zeichnen von Ablaufdiagrammen Anfangsmarkierung Schaltregeln des Ablaufdiagramms Berechnung eines Automaten Ausführung von Aktionen Hinweise zur Anwendung von Automaten Wo können Automaten zum Einsatz kommen Behandlung von Störungen/Gliederung eines Ablaufdiagramms Typische Probleme 'Mutual exclusion' Geteilte Ressourcen Synchronisation paralleler Prozesse Analyse von Ablaufgraphen Allgemeines Ein Beispiel Tabellendarstellung eines Ablaufdiagramms Analyse des Ablaufdiagramms Komponenten eines Ablaufdiagramms Vorwärtskonflikte Rückwärtskonflikte Lebendigkeit von Ablaufdiagrammen Dead-Lock Beschränktheit und Sicherheit Erreichbarkeit und Erreichbarkeitsgraph Der Zustand eines Ablaufdiagrammes Andere verwandte Darstellungen Petrinetz Zustandsautomat nach Mealy Zustandsautomat nach Moore Das Flussdiagramm Vergleich der Automatendarstellungen Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-2 JPK

3 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1-1: Motorenbeispiel Abbildung 1-2: Entweder-Oder Verzweigung Abbildung 1-3: Start paralleler Abläufe Abbildung 1-4: Zusammenführung Abbildung 1-5: Synchronisation Abbildung 1-6: Schaltregeln Abbildung 1-7: Beispiel Ausführung von Aktionen Abbildung 1-8: Anwendungsbereich von Automaten Abbildung 1-9: Gliederung eines Ablaufdiagramm Abbildung 1-10: Beispiel gegenseitiger Ausschluss Abbildung 1-11: Beispiel geteilte Ressourcen Abbildung 1-12: Beispiel für Synchronisation paralleler Prozesse Abbildung 2-1: Alarm mit Quittierung Abbildung 2-2: Erstellung einer Tabellendarstellung Abbildung 2-3: Komponente Abbildung 2-4: Markierungen im Alarmbeispiel Abbildung 2-5: Komponenten des Alarmbeispiels Abbildung 2-6: Vorwärtskonflikt Abbildung 2-7: Rückwärtskonflikt Abbildung 2-8: Lösung der Konfliktsituation Abbildung 2-9: Lebendige Teile eines Ablaufdiagramms Abbildung 2-10: Beispiel Dead-Lock Abbildung 2-11: Ueberdeckende Markierungen Abbildung 2-12: Ablauf ohne Ueberdeckung Abbildung 2-13: Vorwärtskonflikt Abbildung 2-14: Erreichbarkeitsgraph Abbildung 2-15: Beispiel eines Petri-Netzes Abbildung 2-16: Beispiel eines Zustandsautomaten nach Mealy Abbildung 2-17: Beispiel eines Zustandsautomaten nach Moore Abbildung 2-18: Flussdiagramm Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-3 JPK

4 1 Automaten in der Steuerungstechnik 1.1 Einführung Die Möglichkeiten zur verbalen Beschreibung von Abläufen sind sehr beschränkt. Sie erlauben oft nur die Formulierung einfacher Bedingungen und die Beschreibung stationärer Zustände. Jeder kann sich an den ersten Aufsatz über die Schulreise erinnern:.., und dann..., und dann...; nur mit einiger Sprachgewandtheit wird die Beschreibung des einfachen Ablaufs einer Schulreise vernünftig lesbar und verständlich. Lesbarkeit und Verständlichkeit genügen aber in der Steuerungstechnik nicht, Eindeutigkeit ist zwingend. Gesteuerte Anlagen sind komplexe, dynamische Systeme, die verbal kaum mehr vernünftig und effizient beschrieben werden können. Wo benötigt man Beschreibungen der Anlagenfunktionalität? Bereits bei der Planung stellt sich das Problem, wie die Anlage funktionieren soll. Für jeden kommt mit steigender Komplexität früher oder später der Punkt, an dem man sich nicht mehr alles im Kopf ausdenken kann. Geeignete Darstellungen der Zusammenhänge können hier als Denkhilfe wirkungsvoll zur Meisterung der Komplexität beitragen. Nicht nur für sich selber, sondern auch für die Kommunikation mit anderen muss Anlagenfunktionalität beschrieben werden. Dabei ist die Erstellung einer Anlagensteuerung mit einem grossen Kommunikationsbedarf verbunden. Der Ingenieur muss mit dem Anlagebauer die Funktionalität der Anlage spezifizieren und im Planungsteam mit anderen Ingenieuren über Lösungsvarianten diskutieren können. Offensichtlich sind hier Darstellungen nötig, die auch komplexere Zusammenhänge auf übersichtliche Art eindeutig kommunizieren können. Damit die Frage nach einer geeigneten Darstellung beantwortet werden kann, muss überlegt werden, welche Art von Problemen dargestellt werden müssen. Eine modernere Anlagensteuerung besteht grob aus Ueberwachungen mit Verriegelungsfunktionen, Regelungen und Ablaufsteuerungen. In fast allen Anlagensteuerungen sind Abläufe zu finden. Offensichtlich ist dies bei Anlagen, die Teile oder Stoffen chargenweise bearbeiten. Weniger offensichtlich ist dies bei kontinuierlich produzierenden Anlagen, aber auch diese müssen angefahren und abgestellt werden und dies geschieht nach vorgegebenen Abläufen. Automaten werden für die Darstellung und Analyse von Abläufen eingesetzt. Darum soll im Folgenden gezeigt werden, wie Automaten mit ihren Darstellungen zur Lösung von Ablaufsteueraufgaben eingesetzt werden können. Zunächst sollen die wichtigsten Begriffe klargestellt werden: Schritt: Menge von Steueraufgaben, die in der gewählten Detaillierung nicht in weitere Schritte aufgeteilt wird. Schrittname: Bezeichnung des Schrittes aktiver Schritt: die Steueraufgaben des Schrittes werden durchgeführt Ablauf: prozessabhängige Abfolge von Schritten. Ablaufdiagramm: schematische Darstellung des Ablaufs Transition: Schaltbedingung für den Schrittwechsel Ein Ablauf beschreibt also, wie einzelne Schritte miteinander verknüpft sind. Natürlich gehört dazu auch der Schrittwechsel. Ein Schrittwechsel ist immer an eine Bedingung geknüpft. Diese kann entweder steuerungsintern durch die Beendigung einer Aufgabe in der Steuerung (Abarbeiten eines Datensatzes beendet) oder extern durch das Erreichen gewisser Prozessbedingungen erfüllt werden. Der Uebergang von einem Schritt zu einem anderen wird durch eine Transition beschrieben. Sie besteht aus einer booleschen Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-4 JPK

5 Funktion, anhand der das Erreichen der Prozessbedingung berechnet wird. In einer solchen Funktion können keine Aktionen realisiert werden. Das einzige Resultat ist der Wahrheitswert der Transitionsbedingung. Abläufe in der Steuerungstechnik sind meistens nicht eine lineare Aneinanderreihung von Schritten (Sequenzsteuerung). Prozessabhängig muss an einer Verzweigung entschieden werden können, welches nun der nächste Schritt ist. Dies muss auch in der Ablaufdarstellung einfach dargestellt werden können. In einfachen Abläufen ist meistens nur ein einziger Schritt aktiv. Bereits bei einer Kaffeemaschine ist aber nützlich, wenn mehrere Schritte gleichzeitig aktiv sein können. Dadurch können parallele Aufgaben viel einfacher dargestellt werden. Laufen parallele Aufgaben unabhängig voneinander ab, so können sie auch in unabhängigen Ablaufdiagrammen dargestellt werden. Müssen sie aber an bestimmten Stellen synchronisiert werden oder greifen sie auf eine Ressource zu, die nicht gleichzeitig mehrfach benutzt werden kann, so ist es sehr nützlich, diese Aufgaben in einem Diagramm darzustellen und die Zusammenhänge durch spezielle Symbole offensichtlich zu machen. Automaten in der Steuerungstechnik sollen anhand der Ablaufsprache nach IEC eingeführt werden. Die Ablaufsprache ist eine Weiterentwicklung von GRAFCET IEC-848. Die Ablaufsprache erfüllt alle Anforderung, die in der Steuerungstechnik an Automaten gestellt werden. Sie ist ein sehr gut geeigneter, standardisierter Formalismus, um verschiedenste Probleme zu beschreiben. Die Darstellung ist übersichtlich und für jedermann einfach verständlich. Die Grundbausteine der Ablaufsprache werden im folgenden Abschnitt erläutert und gezeigt wie Elementarprobleme, wie z.b. Verzweigungen gelöst werden. Die Ablaufsprache nach IEC kann einfach in Petri-Netze überführt werden. Umgekehrt kann auch die ganze Theorie der Petri-Netze auf die Ablaufsprache angewendet werden. Im Gegensatz zum Petri-Netz erlaubt die Ablaufsprache in den Transitionen keine Schaltaufgaben. Hier wurde die Ablaufsprache gewählt, da darin klar festgelegt wird, in welchen Elementen Tätigkeiten und Schaltbedingungen dargestellt werden. Dies ist bei Petri-Netzen nicht eindeutig. Anwendungen von Ablaufsprachen und Petri-Netzen: Informatik: - Programmablauf darstellen - parallele Prozesse modellieren und analysieren, programmieren - geteilte Ressourcen - Datenbankzugriff - Echtzeitsysteme - Modellierung, Simulation und Analyse von Warteschlangen Steuerungstechnik: - Modellierung, Analyse, und Programmierung von Steuerungen - Analyse der Abhängigkeiten paralleler Prozesse Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-5 JPK

6 Betriebstechnik: - Workflow - Modellierung und Analyse von Fertigungsanlagen - Darstellung von Arbeitsabläufen für Qualitätssicherung Das Ziel dieses Kapitels ist, dass - Sie einfache Prozesse in der Ablaufsprache darstellen können - Sie die Synchronisation zweier Prozesse in der Ablaufsprache darstellen können 1.2 Das Beispiel Anhand des folgenden Beispiels soll die Ablaufsprache eingeführt. Ein Motor kann mit einem EIN-Taster eingeschaltet, mit einem AUS-Taster wieder ausgeschaltet werden. Eine Temperaturüberwachung verhindert eine Ueberhitzung des Motors. Die Relaisschaltung: Zustände des Motors: läuft, steht Schaltvorgänge: Relais zieht an, Relais fällt ab EIN-schalten, AUS-schalten EIN AUS Ablaufdiagramm für die Motorensteuerung: Motor A kommt Aus Temperaturüberwachung TSH M Taster EIN & keine Uebertemperatur Motor Ein Taster Aus / Uebertemperatur Abbildung 1-1: Motorenbeispiel Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-6 JPK

7 1.3 Die Ablaufsprache AS (engl. SFC) in IEC Elemente der Ablaufsprache AS Eine Steuerung in der Ablaufsprache wird als ein Netz von Schritten und Transitionen dargestellt. Folgende Symbole sind festgelegt worden: Schritt: IEC erweitert Schrittbezeichnung Schrittbezeichnung Q Tätigkeit 1 Q Tätigkeit 2 - Schrittbezeichnung: Kurzbeschreibung des Schrittes, Schrittname - Q: Qualifier Der zu jeder Tätigkeit anzugebende Qualifier gibt an, wann die Tätigkeiten ausgeführt werden. - Tätigkeiten: Ansteuerung, Schaltbefehle oder ganze Steuerprogramme, die im entsprechenden Schritt ausgeführt werden. Grundschritt: A kommt Aus Der Grundschritt ist der Startschritt des Ablaufdiagramms. Transition mit Schaltbedingung: Drehzahl erreicht Die Schaltbedingung bestimmt, ob eine Transition schalten kann. Marke: Marken dienen zur Simulation der Steuerung. Mit einer Marke bezeichnete Schritte sind aktiv, d.h. die zum Schritt gehörenden Tätigkeiten werden ausgeführt. Tätigkeiten nicht markierter Schritte, d.h. nicht aktiver Schritte werden nicht durchgeführt. Schritt A Schritt A Zu Beginn der Simulation befindet sich im Quadrat des Grundschrittes eine Marke. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-7 JPK

8 Verzweigungen: Entweder-Oder Verzweigung vor Verzweigung Weiche nach A Weiche nach B Je nach Wahrheitswert der Bedingung wird der Weg A oder B gewählt Man beachte, dass vor der Verzweigung ein Schritt vorhanden sein muss und die Transitionen in den einzelnen Verzweigungen sind. Weg A Weg B oder: Abbildung 1-2: Entweder-Oder Verzweigung Der Läufer auf dem Parcours muss sich entscheiden, ob er noch eine weitere Runde rennt oder bereits zum verdienten Bier geht. Die Entscheidung erfolgt aufgrund der Transitionsbedingungen 'müde' oder 'nicht müde'. Klar, der Läufer kann nicht beide Wege gleichzeitig gehen. Start paralleler Abläufe: vor Start Start Prozesse A&B Prozess A und B werden gestartet, wenn die Transition 'Start Prozess A&B' wahr ist. Man beachte, dass die Transition Start Prozesse A&B vor der Verzweigung steht. Dies heisst, dass wenn die Bedingung erfüllt ist, 2 parallele Abläufe gestartet werden. Parallelprozess A Parallelprozess B Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-8 JPK

9 aus dem Leben: Abbildung 1-3: Start paralleler Abläufe Mit dem Startschuss = Schaltbedingung beginnen 3 Läufer gleichzeitig ihren Lauf. Zusammenführungen: Sammeln: oder: Weg A Weg A weiter Weg B Weg B Markierungen können entweder von 'Weg A' oder 'Weg B' fast unabhängig voneinander zum Schritt 'weiter' gelangen. Man beachte, dass jeder Weg mit einer 'eigenen' Schaltbedingung abgeschlossen wird, d.h. die Schaltbedingung steht vor der Zusammenführung. Abbildung 1-4: Zusammenführung In der Darstellung ist das Erreichen des Arbeitsplatzes für verschiedene Mitarbeiter an unterschiedliche Bedingungen geknüpft sein, ist aber nicht von anderen Mitarbeiter abhängig. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-9 JPK

10 Synchronisation paralleler Abläufe: Parallelprozess A weiter in einem Prozess Parallelprozess B Die Transition 'weiter in einem Prozess' kann schalten, wenn beide dem Synchronisationbalken vorangehenden Schritte markiert sind. Man beachte, dass die Transition nach der Zusammenführung der Wege steht. weiter oder: Auto bereit Abbildung 1-5: Synchronisation Wenn drei zusammen mit dem Auto fahren wollen, so müssen sie zeitlich und örtlich synchronisiert werden, d.h. sie müssen sich zur abgemachten Zeit am abgemachten Ort treffen. Kaum sind alle zum gleichen Zeitpunkt für die Fahrt bereit. Auf einem Sessel lässt es sich bequemer warten, oder, in einem Warteschritt können die dazu nötigen Steuerfunktionen richtig gelöst werden! Die Bedingung, dass die drei Personen anwesend sind, ist mit dem Synchronisationsbalken dargestellt, dass das Auto fahrbereit ist, mit einer Transitionsbedingung. Würde der Zustand des Autos auch im Ablaufdiagramm modelliert, so könnte 'Auto bereit' auch als Schritt vor dem Synchronisationbalken dargestellt werden. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-10 JPK

11 1.3.2 Regel für das Zeichnen von Ablaufdiagrammen Für die Erstellung von Ablaufdiagrammen gelten einige einfache Regeln. Werden diese eingehalten, so ist die Steuerung vollständig festgelegt, d.h. sie kann (könnte) automatisch aus Ablaufdiagrammen generiert werden. Regeln: - Zwei Schritte können nicht direkt miteinander verbunden werden. Zwischen zwei Schritten liegt immer eine Schaltbedingung. - Zwei Transitionen können nie direkt miteinander verbunden werden. Zwischen zwei Transitionen liegt immer ein Schritt. - Jede Darstellung hat mindestens einen Grundschritt Diese Regeln sind einfach einzuhalten indem leere Schritte, d.h. Schritte ohne Tätigkeit oder wahre Transitionen eingefügt werden. Verbindungen sind immer mit einer Richtung versehen. Die Richtung zeigt die Bewegungsrichtung der Markierungen an. Diese ist in der Regel von oben nach unten. Für Verbindungen nach oben oder zur Verbesserung der Lesbarkeit, werden Pfeile auf den Verbindungslinien eingezeichnet Anfangsmarkierung Mit dem markierten Grundschritt wird der Ausgangszustand festgelegt. In der Ablaufsprache nach IEC gibt es oft nur einen einzigen Grundschritt. Wenn nun mehrere Prozesse parallel ablaufen, so ist dies an einem Start paralleler Aktionen nach dem Grundschritt erkennbar. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zum Petri-Netz. Dort können Anfangsmarkierungen fast beliebig sein Schaltregeln des Ablaufdiagramms Das Funktionieren eines Ablaufdiagramms wird durch die Schaltregeln der Transitionen gegeben. Zwei Aspekte sind dafür wichtig: - Markierung der vorangehenden Schritte: Eine Transition kann nur dann schalten, wenn der unmittelbar vorangehende Schritt aktiv ist. In der Ablaufsprache ist es möglich, dass mehrere Schritte einer Transition vorangehen. (siehe Beispiel der Synchronisation). Die Schaltregel verlangt dann, dass alle vorangehenden Schritte markiert sind, damit eine Transition schalten kann. Eine Transition wird als 'enabled' bezeichnet, falls alle unmittelbar vorangehenden Schritte aktiv sind. Andernfalls wird die Transition als 'disabled' bezeichnet. - Wahrheitswert der Schaltbedingung: Die Transition kann nur schalten, wenn die Schaltbedingung wahr ist. Eine Schaltung erfolgt sofort. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-11 JPK

12 Beispiel der Schaltregeln falsch oder wahr falsch wahr schaltet nicht, weil disabled schaltet nicht, weil falsch schaltet, weil enabled und wahr Abbildung 1-6: Schaltregeln Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-12 JPK

13 1.4 Berechnung eines Automaten Mit einem Graphen kann die Ablauflogik schön dargestellt werden, wie der Automat aber im Detail funktioniert, ist darin nicht ersichtlich. Insbesondere ist nicht klar, was der Automat 'macht', wenn ein paar Schritte markiert sind und keine Transition schalten kann oder was genau passiert, wenn eine Transition schaltet. Automaten werden heutzutage meistens auf einem Rechner implementiert, d.h. es muss ein Ablaufprogramm programmiert oder konfiguriert werden. Damit die Ablauflogik nun berechnet werden kann, muss das Ablaufprogramm entweder zyklisch aufgerufen werden oder über Strukturen verfügen, die eine ereignisorientierte Bearbeitung der Ablauflogik ermöglichen. Da in SPS-Systemen die Möglichkeiten zur ereignisorientierten Programmierung meistens fehlen (oft auch nicht erwünscht sind), sollen im Folgenden die sehr wichtigen Details eines zyklisch berechneten Automaten genauer betrachtet werden Ausführung von Aktionen Allgemeines Die wesentlichen Unterschiede zwischen verschiedenen Automaten ergeben sich bei der Ausführung von Aktionen. Darum soll in diesem Abschnitt das Thema etwas weiter betrachtet werden, als dies für die Ablaufsprache eigentlich nötig wäre. Dieser Aufwand lohnt sich darum, weil meist diesbezügliche Unsicherheiten die Wurzel für Probleme beim Einsatz von Automaten bilden. Hinter dem Begriff 'Aktion' verbergen sich sehr unterschiedliche Aufgaben. Diese sollen zunächst in zwei Typen systematisiert werden. einfache Aktion: Eine einfache Aktion ist eine resultat-orientierte Kommunikations- oder Verarbeitungsaufgabe. Sie besteht in der Regel aus einer Folge von Meldungen oder Operationen, die übermittelt bzw. ausgeführt werden. Einfache Aktionen können innerhalb sehr kurzer Zeit erledigt werden. Sie werden bei einem Schrittwechsel einmal durchgeführt. Operationen erlauben, einfache 'Schaltungen' durchzuführen. Mit Meldungen können andere Prozesse gesteuert werden, d.h. beispielsweise gestartet oder gestoppt werden, die andere Automaten oder Steuer- und Regelaufgaben enthalten. Die Prozesse bestimmen aber selber, nach welchen zeitlichen Regeln diese bearbeitet werden sollen. Es ist klar, dass für die Realisierung selbständiger Aktionen entweder Mehrprozessorsysteme oder Multithreading-Betriebssysteme nötig sind. periodische aufgerufene Aktionen: Mit periodisch aufgerufenen Aktionen können Verarbeitungsaufgaben gelöst werden, die periodisch immer wieder abgearbeitet werden müssen. Dies sind beispielsweise Regel- und Ueberwachungsaufgaben oder auch untergeordnete Steueraufgaben. Wesentlich ist dabei, dass der Zyklus des Aufrufs durch den Aufruf des Automaten selber bestimmt wird. Nach dem Aufruf einer solchen Aktion werden die in der Aktion enthaltenen Operationen abgearbeitet und nach Vollendung wird mit den Rückgabewerten wieder zum Automaten zurückgekehrt. Periodisch aufgerufene Aktionen bilden also keine eigenen Prozesse. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-13 JPK

14 Beispiele: Typ Aktion Beschreibung einfache Aktion Licht einschalten Das Licht wird einmal eingeschaltet und bleibt ohne weiteres hinzutun eingeschaltet, bis ein Befehl 'Licht ausschalten' das Licht wieder löscht periodisch aufgerufene Aktion Temperaturüberwachung T > T max Tabelle 1: Beispiele für Ausführung von Aktionen Es wird geprüft, ob die Temperatur T grösser als der Grenzwert T max ist. Diese Funktion braucht sich nicht um ihre zeitliche Durchführung zu kümmern, diese wird vom Automaten entsprechend seiner Zykluszeit veranlasst. Ist eine Aufgabe komplex oder muss mit einer sehr kleinen Zykluszeit bearbeitet werden, so muss man sich folgende Strukturierungsfrage stellen: soll die Aufgabe als eine Aktion des Automaten oder als eigener, mit dem Automaten kommunizierenden Prozess programmiert werden? Die beiden Varianten sind in der Tabelle 2 dargestellt. Ferngesteuerter, Regler: autonomer Der Regler wird mit einer Meldung (einfache Aktion) eingeschaltet und regelt selbständig, d.h. mit einer von der Berechnung des Ablaufautomaten unabhängigen Zykluszeit. Automat Reglersteuerung Regler EIN Regler Periodisch, durch Automaten aufgerufener Regler: Das Reglerprogramm wird durch den Automaten aufgerufen. Die Speicherung des Zustandes muss zwischen zwei Aufrufen gewährleistet sein. Automat Regler Tabelle 2: Varianten für Ausführung von Aktionen Ueberlegen Sie sich die Vor- und Nachteile der beiden Varianten! Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-14 JPK

15 Parametrierbare Aktionen Um die Zahl verschiedener Aktionen möglichst klein zu halten, kann es sinnvoll sein, neben dem Start und Stopp auch Parameter, beispielsweise Fahrweisen und Sollwerte, zu übergeben. Automaten, die in der Lage sind, schrittabhängig Parameterwerte an Aktionen zu übermitteln, werden als Rezeptsteuerungen bezeichnet. Das Ablaufdiagramm (die Ablauflogik) und die zu jedem Schritt und Aktion gehörenden Parameter bilden dann das Rezept Aufruf der Aktionen Die verschiedenen Arten von Aktionen kommen an unterschiedlichen Stellen in einer Ablaufdarstellung zum Einsatz. Folgende Stellen kommen dafür in Betracht: beim Schalten einer Transition, beim Erreichen eines neuen Schritts, nach dem Erreichen eines neuen Schritts und vor dem Verlassen eines Schritts. In der folgenden Tabelle sind die Anwendungen zusammengestellt: im Ablauf beim Schalten einer Transition Aktion einfache Aktion in der Ablaufsprache nicht möglich! 1. mal beim Eintritt in einen Schritt, d.h. wenn der Schritt in der Berechnung des Ablaufs das erste Mal markiert ist. einfache Aktion Initialisierung und Berechnung einer zyklischen Aktion Stationäre Markierung von Schritten. Berechnung zyklischer Aktionen x. mal letzes mal vor dem Verlassen eines Schrittes, d.h. wenn die Schaltbedingung bereits wahr ist. einfache Aktion Berechnung und 'Abschalten' einer zyklischen Aktion Tabelle 3: Ausführung von Aktionen Zu Recht stellt man sich die Frage, warum man nicht einfach die einfachen Aktionen den Transitionen und die periodischen Aktionen den Schritten zuordnet. Unterschiede in der Zuordnung der Aktionen zu den Schritten und den Transitionen werden in den Automaten von Moore und Mealy deutlich. (siehe auch Kapitel 2) Im Mealy-Automaten sind Aktionen ausschliesslich mit Transitionen, im Moore-Automaten mit den Zuständen/Schritten verbunden. Dabei sehen beide nur einfache Aktionen vor. In der Ablaufsprache nach IEC können Aktionen nur den Schritten zugeordnet werden. Dies hat folgende Vorteile: Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-15 JPK

16 - es sind direkte Verzweigungen im Ablauf möglich, die durch das Resultat einer Aktion bestimmt werden: berechne Z Z wahr Z falsch Falls Aktionen nur Transitionen zugeordnet werden können, ergeben sich zusätzlich Schritte. Zeichnen Sie eine mögliche Lösung! - Ein weiterer Aspekt betreffend den Aufruf von Aktionen ergibt sich aus der Art, wie die Ablauflogik im Automat berechnet wird. Für die Ablaufsprache bestehen zwei Varianten. Es kann festgelegt werden, dass Aktionen nur dann durchgeführt werden, wenn ein Schritt 'stabil' markiert ist. Stabil markiert heisst, dass im Berechnungszyklus keine Transition mehr schalten kann. Die zwei Varianten für Berechnung des Automaten sind in der folgenden Tabelle dargestellt. Einmaliges Schalten der möglichen Transitionen Schalten bis stabil (Search for stability) Start Berechnungzyklus Start Berechnungzyklus Berechnung der Transitionen, die enabled sind Berechnung der Transitionen, die enabled sind mind. eine Transition kann schalten? mind. eine Transition kann schalten? Ja Ja Nein Schalten: Berechnung der neuen Markierung Nein Schalten: Berechnung der neuen Markierung Bestimmung der aktiven Aktionen falls Schrittwechsel Bestimmung der aktiven Aktionen Ausführen der aktiven Aktionen Ausführen der aktiven Aktionen Ende Berechnungzyklus Ende Berechnungzyklus Tabelle 4: Varianten für die Berechnung des Automaten Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-16 JPK

17 falsch Aktion A wahr Aktion B wahr wahr Aktion A wahr Aktion B wahr falsch falsch Abbildung 1-7: Beispiel Ausführung von Aktionen Für das Beispiel in Abbildung 1-7 werden im Fall Schalten bis stabil die Aktionen A und B nicht ausgeführt. Der Automat schaltet Transitionen, bis ein stabiler Zustand erreicht ist, d.h. keine Transition mehr schalten kann. Erst im stabilen Zustand werden die Aktionen der aktiven Schritte. Diese Schaltregeln haben den Vorteil, dass man sich umständliche Fallunterscheidungen erspart. Andererseits kann man aber einen Endlosloop kreieren, wenn alle Schaltbedingungen in einem Kreis wahr sind. Die SPS ist dann blockiert und nicht alle Systeme besitzen für diesen Fall eine Fehlerbehandlung. In der IEC ist nicht klar festgelegt worden, ob Aktionen nur dann durchgeführt werden, wenn eine stabile Markierung erreicht wurde. (Search for Stability). Die Lösungen in SPS- Programmierumgebungen sind daher nicht einheitlich. Werden Aktionen ausschliesslich den Schritten zugewiesen, so stellt sich das Problem, wie die in Tabelle 3 zusammengestellten Fälle insbesondere, die einfache Aktionen realisiert werden. Um dieses Problem zu lösen, wurden die Aktionen mit Qualifier versehen. Diese bestimmen, wie die Aktionen in den Schritten ausgeführt werden. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-17 JPK

18 Die wichtigsten, am häufigsten implementierten Qualifier der Aktionen nach IEC Qualifier 'N' aktiv inaktiv Schritt n+2 n+1 n Transition kann schalten Zeit Die Aktion mit dem Qualifier N wird nach dem Schrittwechsel aktiv und wird berechnet, bis in den nächsten Schritt geschaltet wird. Nachdem die Schaltbedingung wahr ist und ein Schrittwechsel erfolgen kann, wird der Schritt ein letztes Mal durchgeführt. Dies ist nötig, damit Signale zurückgesetzt werden können, so z.b. ein Motor ausgeschaltet werden. Der Qualifier N eignet sich sehr gut für periodische Aktionen. Qualifier 'P+' aktiv inaktiv Schritt n+2 n+1 n Zeit Eine Aktion des Schritts n+1 mit Qualifier P+ wird einmal nach dem Schrittwechsel von n auf n+1 durchgeführt. Qualifier 'P-' aktiv Schritt inaktiv n+2 n+1 n Transition kann schalten Zeit Eine Aktion des Schritts n+1 mit Qualifier P- wird einmal vor dem Schrittwechsel von n+1 auf n+2 durchgeführt. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-18 JPK

19 Qualifier 'S' aktiv inaktiv Schritt n+2 n+1 n Eine Aktion des Schritts n+1 mit Qualifier S wird immer nach dem Schrittwechsel von n auf n+1 durchgeführt, bis die Aktion mit 'R' wieder gestoppt wird. Zeit Qualifier 'R' aktiv inaktiv Schritt n+2 n+1 n Eine Aktion des Schritts n+1 mit Qualifier R wird immer nach dem Schrittwechsel von n auf n+1 gestoppt. Zeit 1.5 Hinweise zur Anwendung von Automaten Wo können Automaten zum Einsatz kommen Automaten lösen nicht alle Probleme in der Automatisierungstechnik. Der Nutzen von Automaten hängt stark von der Strukturierung der Steueraufgaben ab. Analysiert man die Funktionen in einer Steuerung, so kann man erkennen, dass es gewisse einfache Steuerfunktionen gibt, die permanent durchgeführt werden müssen, ja man würde sie am liebsten in Analogtechnik realisieren. Dies sind z.b. Grenzwertüberwachungen oder Regelungen. Ueber diesen Funktionen beginnt der ereignisdiskrete Teil der Steuerung. Hier muss nur noch etwas gemacht werden, wenn etwas Neues passiert ist. In diesen Bereich gehören die Automaten. Sie können dort entweder in einzelnen Grundfunktionen zur Steuerung von Teilen einer Anlage eingesetzt werden oder aber auch die ganze Koordinationssteuerung der Gesamtanlage übernehmen. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-19 JPK

20 ereignisdiskretes System: Ablaufsprache Umschaltsignale, Parameter Grenzwertsignale einfache Steuerfunktionen: übliche Programmiersprachen Ansteuerungen Rückmeldungen Stellwerte Messwerte Prozess Abbildung 1-8: Anwendungsbereich von Automaten Behandlung von Störungen/Gliederung eines Ablaufdiagramms Eine Steuerung umfasst in der Regel zwei Kategorien von Schritten. Die eine besteht aus Schritten, die zum normalen Ablauf gehören, die andere ist zur Bewältigung von Störsituationen notwendig. Bei der Darstellung des ganzen Systems erscheint noch eine zusätzliche Kategorie, die durch die Funktion der Anlage ohne Steuerung (z.b. bei Ausfall der Steuerung oder Sicherheitsabschaltungen) gegeben wird. Es ist sinnvoll, ein Ablaufdiagramm nach den entsprechenden Kategorien zu ordnen: Normalbetrieb: üblicher Ablauf Störungsbetrieb: intelligente, d.h. flexible Reaktion auf Störungen NOT-AUS Uebergänge: einfach selten überlegt Abbildung 1-9: Gliederung eines Ablaufdiagramm Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-20 JPK

21 1.6 Typische Probleme 'Mutual exclusion' P1: P2: Abbildung 1-10: Beispiel gegenseitiger Ausschluss Die 'kritischen' Schritte P1 und P2 dürfen nie gleichzeitig durchgeführt werden. Dies kann zum Beispiel die Fahrt über eine Kreuzung sein. Beschriften Sie die Schritte und Transitionen für ein selber gewähltes Beispiel. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-21 JPK

22 1.6.2 Geteilte Ressourcen A kommt Roboter frei B kommt start A start B A laden B laden geladen geladen Bearbeitung A frei A bereit B bereit Bearbeitung B frei A bearbeiten Freigabe B bearbeiten Freigabe A bearbeitet B bearbeitet A entladen start entladen A A entladen B entladen start entladen B B entladen A neues A B neues B Abbildung 1-11: Beispiel geteilte Ressourcen Der Roboter steht der Maschine A und der Maschine B zum Be- und Entladen zur Verfügung. Bezeichnen Sie diejenigen Schritte, die mit dem Roboter durchgeführt werden! Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-22 JPK

23 1.7 Synchronisation paralleler Prozesse A Silo kommt idle start Silo bereit Reaktor B kommt idle start Lösung vorbereiten Lösung bereit start umfüllen Pulver dosieren Ltg reinigen sauber aufheizen T erreicht B einfüllen Menge erreicht reinigen sauber Abbildung 1-12: Beispiel für Synchronisation paralleler Prozesse Mit einer Dosiersteuerung wird Pulver in einem Silo vorbereitet. Das Pulver kann in den Reaktor dosiert werden, falls das Silo bereit ist und im Reaktor die benötigte Lösung vorliegt. Wird das Einfüllen des Pulvers manuell gestartet, so kann die Bedingung start umfüllen kann über eine Vorortbedienung auf wahr gesetzt werden. Bei einem automatischen Start ist sie a priori wahr. Nach diesem synchronisierten Pulver dosieren - Schritt werden wieder zwei Markierungen erzeugt, d.h. die Teilsequenzen für das Silo und den Reaktor wieder unabhängig voneinander durchschritten. Die Bedeutung des Synchronisationsbalkens wird klar, wenn die Pulverförderung und der Reaktor auf verschiedene Steuerungen verteilt werden. Wie sehen die Ablaufdiagramme für die Reaktor- und die Pulversilosteuerung aus, wenn Sie zwischen den Steuerungen Telegramme austauschen können? Automaten in der Steuerungstechnik.doc 1-23 JPK

24 2 Analyse von Ablaufgraphen 2.1 Allgemeines Ablaufdiagramme lassen sich in Tabellenform so darstellen, dass praktische Analysen mit Computerhilfe möglich sind. Verschiedene Eigenschaften von Ablaufdiagrammen können in der Tabellenform einfach erkannt werden. Die ganze Theorie dazu ist für Petri-Netze entwickelt worden und kann in verschiedenen Fachbüchern detailliert studiert werden. Im folgenden Kapitel wird das für die Steuerungstechnik wesentliche zusammengefasst. Auch soll gezeigt werden, wie ein Graph in einer Tabellenform formalisiert werden kann. Das Ziel dieses Kapitels ist es, dass - Sie ein Ablaufdiagramm in einer Tabellenform darstellen können - Sie die Lebendigkeit eines Graphen erklären können - Sie die Kompilerfehlermeldung Ihr Graph ist überdeckbar erklären und das Ablaufdiagramm korrigieren können. 2.2 Ein Beispiel Alarme mit Quittierung werden eingesetzt, wenn der Prozess nicht von selber wieder weitergehen darf und Reaktionen vom Anlagenpersonal nötig sind. Ein solcher Ablauf ist in Abbildung 2-1 dargestellt. Dabei wurden die Schritte für die Steuerung der Alarmierung explizit dargestellt. Niveau A kommt OK S1 S4 kein B kommt Alarm T1 Niveaugrenzwert erreicht Niveau hoch S2 S5 Alarm T2 quittiert Niveau hoch quittiert S3 Alarm mit Quittierung: T3 Niveau gut Abbildung 2-1: Alarm mit Quittierung 2.3 Tabellendarstellung eines Ablaufdiagramms Die Tabellendarstellung eines Ablaufdiagramms beschreibt den Fluss der Markierungen. Es wird darin angegeben, wie sich die Markierung der Schritte verändert, wenn eine Transition schaltet. Für die Formalisierung des Ablaufdiagramms ist es von Vorteil (Schreibarbeit), wenn die Schritte und Transitionen numeriert werden. Dies ist im vorangehenden Ablaufdiagramm bereits geschehen. Das Ablaufdiagramm wird Automaten in der Steuerungstechnik.doc 2-24 JPK

25 in Tabellenform so dargestellt, dass die Schrittnummern die Zeilenindizes und die Transitionsnummern die Spaltenindices der Tabelle bilden. Die Elemente in der Tabelle geben Auskunft über den Fluss der Markierungen. Steht an der Stelle i, j eine Zahl n (in der Regel 1,0 oder 1), so ändert sich die Anzahl der Markierungen im Schritt i um die Zahl n, wenn die Transition j schaltet. Für das obige Beispiel entsteht die Tabellendarstellung wie folgt: Niveau A kommt OK S1 S4 kein B kommt Alarm T1 Niveaugrenzwert erreicht Nivea hoch S2 S5 Alarm T2 quittiert Niveau hoch quittiert S3 T3 Niveau gut Schritt\ Transition T1 T2 T3 S S S S S Abbildung 2-2: Erstellung einer Tabellendarstellung Automaten in der Steuerungstechnik.doc 2-25 JPK

26 2.4 Analyse des Ablaufdiagramms Komponenten eines Ablaufdiagramms Meistens kann ein Ablaufdiagramm so simuliert werden, dass alle Transitionen mindestens einmal geschaltet haben. Falls während einer solchen Simulation nie mehr als eine einzige Markierung Bsp: auftritt, so ist das Ablaufdiagramm ein Niveau A kommt OK Zustandsautomat. Eine einzige Markierung gibt dann an, in welchem Zustand das System ist. Niveaugrenzwert erreicht Der Zustand wird alleine durch den Namen des markierten Schrittes beschrieben. Die Zustände Niveau hoch für den einfachen Alarmierungsautomaten sind demnach: Niveau hoch quittiert Abbildung 2-3: Komponente quittiert Niveau gut - Niveau OK - Niveau hoch - Niveau hoch quittiert Niveau A kommt OK Niveau hoch Niveau hoch quittiert T3 S1 T1 S2 S3 T2 Niveau gut S4 kein B kommt Alarm Niveaugrenzwert erreicht S5 quittiert Alarm Niveau A kommt OK Niveau hoch Niveau hoch quittiert T3 S1 T1 S2 T2 S3 Niveau gut S4 kein B kommt Alarm Niveaugrenzwert erreicht S5 quittiert Alarm Das Ablaufdiagramm in Abschn. 2.2 'Alarm mit Quittierung' besitzt aber in der Simulation immer zwei Markierungen, ist also kein Zustandsautomat. So kann z.b. 'kein Alarm' vorhanden sein, das Behälterniveau aber entweder 'OK' sein oder 'hoch' und der Alarm bereits quittiert sein. Abbildung 2-4: Markierungen im Alarmbeispiel Bei der Realisierung von Steuerungen oder Programmen stellt sich oft das Problem, ein ganzes System in verschiedene Komponenten aufzuteilen, die möglicherweise auch in verschiedenen Rechnern laufen werden. Ein Ablaufdiagramm kann unter gewissen Bedingungen systematisch in solche Komponenten aufgeteilt werden. In Abbildung 2-5 wurde das Alarmbeispiel in 2 Komponenten aufgeteilt, nämlich in die Abläufe für die Niveauüberwachung und in die Alarmierung. Die Transitionen 'Niveaugrenzwert erreicht' und 'quittiert' werden von beiden Komponenten gebraucht. Falls die beiden Komponenten auf verschiedenen Rechnern laufen würden, müsste natürlich auch der Informationsaustausch gelöst werden. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 2-26 JPK

27 Alarmbeispiel: Niveau A kommt OK kein B kommt Alarm Nivea hoch Niveau hoch quittiert Niveaugrenzwert erreicht quittiert Niveau gut Alarm Niveaugrenzwert erreicht quittiert Abbildung 2-5: Komponenten des Alarmbeispiels Der Zusammenhang mit der Tabelle des Ablaufdiagramms ist der folgende: Eine Komponente ist eine Auswahl von Zeilen der Tabelle, für die jede Spaltensumme gleich Null ist. Man spricht von minimalen Komponenten, wenn die Komponente keine weitere Komponente enthält. 1. Komponente Schritt\ Transition T1 T2 T3 S S S Summe Komponente Schritt\ Transition T1 T3 T4 S S Summe Die erste Komponente ist also die Niveauüberwachung, die zweite Komponente ist die Alarmierung selber. In der Praxis der Anlagenautomatisierung wird die erste Komponente in der Steuerung gelöst, d.h. in einer SPS oder Prozessrechner, die zweite Aufgabe wird in einem Bediengerät gelöst. Die Suche von Komponenten kann als kombinatorische Suchaufgabe mit einem Computer gelöst werden. Die praktische Bedeutung von Komponenten für die Steuerungstechnik ist marginal. Für die Simulation aber kann aufgrund der Komponenten entschieden werden, was sinnvolle Anfangsmarkierungen sind, denn jede minimale Komponente enthält immer eine Markierung. Ueberlegen Sie sich, wieso dies so sein muss! Automaten in der Steuerungstechnik.doc 2-27 JPK

28 2.4.2 Vorwärtskonflikte In Ablaufdiagrammen ist es nicht vorgesehen, dass Schritt mehrfach markiert sein kann. Treffen sich nun zwei Markierungen an einer einfachen Zusammenführung, so entsteht ein Konflikt. Nur eine der Markierungen darf zum nächsten Schritt gelangen. Die Ablaufsprache erlaubt hier keine Vergabe von Präferenzen. Meistens deutet ein Vorwärtskonflikt aber auf eine falsche Zusammenführung paralleler Prozesse hin. Dieses komplexere Thema wird im Abschnitt Beschränktheit und Sicherheit genauer untersucht. Dort wird auch gezeigt, wie das Problem gelöst werden kann. Die folgende Darstellung zeigt einen Vorwärtskonflikt: Schritt A T1 Schritt B T2 Schritt C Abbildung 2-6: Vorwärtskonflikt Rückwärtskonflikte An einer Verzweigung mit Synchronisationsbedingung kommt es oft zu einem Rückwärtskonflikt. Die folgende Darstellung zeigt einen Rückwärtskonflikt: Roboter A kommt frei Roboter frei Roboter B kommt frei start A start B A laden B laden Abbildung 2-7: Rückwärtskonflikt Was soll nun geschehen, wenn alle drei Schritte markiert sind? Schaltet die rechte oder die linke Transition? Wenn für ein Problem eine Ablaufdarstellung angebracht ist, so treten meistens solche Situationen auf. Natürlich kann das Ablaufdiagramm diesen Konflikt nicht lösen, es gibt Ihnen aber wichtige Informationen, wo solche Probleme auftreten. Rückwärtskonflikte können gelöst werden, indem man für das Schalten der Transitionen Prioritäten vergibt oder dass die Transitionsbedingung so festgelegt ist, dass nicht beide gleichzeitig wahr sein können. Für das Beispiel in Abbildung 2-7 kann die rechte Transition zur start B und (nicht start A) abgeändert werden. Es gibt auch die Möglichkeit, Konfliktsituation explizit in der Ablaufsprache zu lösen. In Abbildung 2-8 wird gezeigt, wie in eine Lösung eines Konflikts im Ablaufdiagramm festgelegt werden kann. Im rechten Ablaufdiagramm wird festgelegt, das der Roboter die Maschinen A und B zwingend abwechslungsweise bedienen muss. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 2-28 JPK

29 Roboter frei Roboter frei start A start B A B A laden A B laden B start A start B A laden B laden A B Abbildung 2-8: Lösung der Konfliktsituation Bleibt ein System irgendwo 'hängen', so sind die Fehler zuerst bei diesen Konfliktsituationen zu suchen! Diese müssen durch Prioritäten oder sich gegenseitig ausschliessende Transisitionsbedingungen immer sauber gelöst sein Lebendigkeit von Ablaufdiagrammen Eine Eigenschaft von Ablaufdiagrammen ist die Lebendigkeit. Sie beschreibt, ob alle Wege durch ein Ablaufdiagramm durchlaufen werden können und danach die Ausgangslage wieder erreicht werden kann. Sie ist somit Grundvoraussetzung, dass der gezeichnete Ablauf überhaupt funktioniert. In der Steuerungstechnik werden oft Ablaufdiagramme gezeichnet, die einige Schritte zur Initialisierung oder auch eine Abschaltesequenz enthalten. Da diese meist nur einmal durchlaufen werden, führen sie sofort zu einem nicht lebendigen Ablaufdiagramm. Es ist somit angebracht, in einem Ablauf den lebendigen Teil auszuscheiden und diesen genau zu untersuchen. Definition der Lebendigkeit: Ein Ablaufdiagramm ist für eine Startmarkierung lebendig, wenn die Startmarkierung wieder erreicht werden kann und alle Transitionen mindestens einmal geschaltet haben. Die Lebendigkeit kann mit Rechenoperationen in der Ablaufdiagramm-Tabelle ausgedrückt werden. Dazu ist es nötig zu verstehen, was eine Multiplikation einer Spalte mit einer ganzen Zahl oder die Addition zweier Spalten bedeutet. Wird die j-te Spalte mit einer ganzen Zahl n j multipliziert, so geben die Zahlen in der Spalte an, um wieviel sich die Anzahl der Markierungen in den Schritten ändert, wenn die Transition T j genau n j mal schaltet. Zählt man zwei Spalten zeilenweise zusammen, so enthält die Resultatspalte wieder die Veränderung der Markierungen in den Schritten, wenn beide zu den Spalten gehörende Transitionen geschaltet werden. Simulieren wir nun einen Ablauf, so müssen wir Buch führen, wie oft jede Transition geschaltet hat. Multiplizieren wir nun jede Spalte mit der Anzahl Schaltungen der entsprechenden Transition und zählen diese zeilenweise zusammen, so erhalten wir eine Angabe, um wieviel sich die Anzahl Markierungen in den Schritten verändert hat. Aufgrund der Definition der Lebendigkeit ist darum derjenige Fall interessant, bei dem alle Spalten mit einer von Null verschiedenen positiven Zahl multipliziert werden, d.h. jede Transition mindestens einmal schaltet, und die resultierende Zeilensumme Null ist, d.h. die Anzahl Markierungen sich nicht verändert hat und damit die Ausgangslage wieder erreicht ist. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 2-29 JPK

30 Es ist nun offensichtlich, wie Anhand der Tabelle die Lebendigkeit eines Ablaufdiagramms untersucht werden kann: Ein Ablaufdiagramm ist lebendig, wenn es eine Kombination von ganzen positiven Zahlen gibt, mit der die Spalten der Tabelle so multipliziert werden, dass alle Zeilensummen gleich Null sind. Für das Alarmbeispiel: Faktor Schritt\ Transition T1 T2 T3 Summe S S S S S Tabelle 2-1: Tabellendarstellung des Alarmbeispiels Die Faktoren geben an, wieviel mal eine Transition schalten muss, bis die Anfangsmarkierung wieder erreicht ist. Das folgende Beispiel zeigt den lebendigen und nicht lebendigen Teil eines Ablaufs. Meistens kann durch Verbinden der Endteils mit dem Initialisierungsteil der ganze Ablauf lebendig gemacht werden. A kommt Aus Start Init Betrieb Schritt A lebendig Schritt B restart ende Reinigen Abbildung 2-9: Lebendige Teile eines Ablaufdiagramms Automaten in der Steuerungstechnik.doc 2-30 JPK

31 2.4.5 Dead-Lock Entsteht in einem Ablauf eine Situation, in der keine Transition mehr schalten kann, so wird dies als 'Dead- Lock' bezeichnet. Dies ist der Alptraum jedes Programmierers. Umso mehr ist er an Methoden interessiert, welche ihm ein Testen auf Dead-Lock-Freiheit ermöglicht. Die vollständige Modellierung eines Prozesses in einem Ablaufdiagramm erlaubt es, mit Computern den ganzen Ereignisgraphen nach Dead-Lock Situationen zu durchsuchen. Es braucht aber schon einiges an Genialität, das System so vollständig zu modellieren, dass eine Dead-Lock wirklich ausgeschlossen werden kann. Beispiel für ein Ablaufdiagramm mit Dead-Lock: A kommt Aus A kommt Aus Start Start bereit bereit Laden A start Laden A holen B B bereit geholt Bearbeiten A Messen gut bereit start laden Auswerfen schlecht frei Laden B Warten leer Bearbeiten B Auswerfen frei Abbildung 2-10: Beispiel Dead-Lock Simulieren Sie den Automaten und zeichnen Sie die Markierung ein, in der ein Dead-Lock auftritt! Was wurde falsch gemacht? Beschränktheit und Sicherheit Ein Ablaufdiagramm wird als beschränkt bezeichnet, wenn in keiner einzigen Stelle des Netzes jemals mehr als eine bestimmte maximale Anzahl von Marken zusammentreffen. Ist die maximale Anzahl von Marken pro Schritt gleich 1, so wird das Netz als sicher bezeichnet. Wird ein Ablaufdiagramm zur Modellierung oder Automaten in der Steuerungstechnik.doc 2-31 JPK

32 Programmierung von Steuerungen verwendet, so ist meistens nötig, dass das Netz sicher ist. (Die Schritte werden dann nur als markiert oder nicht markiert bezeichnet.) Ueberlegen Sie sich mögliche Gründe! Die Beschränktheit eines Ablaufdiagramms kann anhand der Eigenschaft Ueberdeckbarkeit untersucht werden. Ueberdeckbarkeit einer Markierung: Beim Kompilieren eines Ablaufprogrammes können Sie mit der Fehlermeldung konfrontiert werden, dass Ihr Ablaufdiagramm überdeckbar ist. Was bedeutet dies und wie können Sie das Problem lösen? Die Ueberdeckbarkeit ist eine Eigenschaft der möglichen Markierungen eines Ablaufdiagramms. Gibt es bei der Simulation eines Ablaufdiagramms zwei unterschiedliche Markierungen M1 und M2, so überdeckt die Markierung M1 die Markierung M2, wenn alle in M2 markierten Schritte auch in M1 markiert sind. Damit dies Sinn macht, muss M2 natürlich mindestens einen markierten Schritt enthalten. Beispiel: M1 M2 A kommt Aus ein A kommt Aus ein bereit start & keine Störung bereit start & keine Störung Temp. regeln Einfüllen Temp. regeln Einfüllen Störung Störung warten warten restart restart Abbildung 2-11: Ueberdeckende Markierungen Im obigen Beispiel überdeckt die Markierung M1 die Markierung M2, weil - die Markierungen M1 und M2 unterschiedlich sind - alle markierten Schritte von M2, d.h. hier der Schritt bereit auch in M1 markiert ist Die Markierung M1 entsteht aus der Markierung M2, wenn die Transistionen 'start & keine Störung' und 'Störung' schalten, d.h. wenn es nach dem Start des Einfüllens eine Störung gibt. Sobald es bei der Simulation eines Ablaufdiagramms eine überdeckte Markierung gibt, so ist das Ablaufdiagramm nicht sicher. Analysieren Sie dazu das obige Beispiel. Obwohl es aus Einfachheitsgründen prozessmässig nicht sehr sinnvoll ist, so zeigt es, wie überdeckte Markierungen zustande kommen. Ist dies Automaten in der Steuerungstechnik.doc 2-32 JPK

33 erkannt, so lassen sich auch sehr einfach nötige Korrekturen des Ablaufdiagramms ableiten. Im folgenden Ablaufdiagramm ist eine Verbesserung vorgeschlagen. A kommt Aus ein bereit start & keine Störung Temp. regeln Einfüllen Störung warten restart Störung keine Störung Abbildung 2-12: Ablauf ohne Ueberdeckung Will man nun die Sicherheit eines Ablaufdiagramms überprüfen, so simuliert man das Ablaufdiagramm systematisch und notiert sich alle erzeugten Markierungen. Wenn eine neue Markierung eine bereits vorhandene Markierung überdeckt, so kann die Simulation abgebrochen werden, denn ein Ablaufdiagramm ist nur dann sicher, wenn es bei dessen Simulation keine sich überdeckenden Markierungen gibt. Die systematische Simulation des Ablaufdiagramms ist das Erzeugen eines Erreichbarkeitsgraphen und wird im folgenden Abschnitt erklärt. Wie entstehen nicht sichere Ablaufdiagramme? Zwei Möglichkeiten drängen sich auf: 1. 'Rücksprung' aus parallelen Abläufen vor den Start der parallelen Abläufe. Dies ist in Abbildung 2-11 mit Verbesserung in Abbildung 2-12 gezeigt. 2. 'Entweder-Oder'-Zusammenführung von parallelen Prozessen. In Abbildung 2-13 ist ein solcher Ablauf dargestellt. Sind beide 'Warte'- Schritte markiert, so besteht klar ein Vorwärtskonflikt. Es entsteht eine Markierung wie in Abbildung Diese überdeckt diejenige Markierung, in welcher nur der Schritt bereit markiert ist. Das Ablaufdiagramm ist in Abbildung 2-14 richtig gezeichnet. A Aus kommt bereit Temp. regeln warten ein start T erreicht restart Einfüllen warten Abbildung 2-13: Vorwärtskonflikt Automaten in der Steuerungstechnik.doc 2-33 JPK

34 2.4.7 Erreichbarkeit und Erreichbarkeitsgraph Von einer Startmarkierung ausgehend heisst eine Ziel-Markierung erreichbar, wenn es eine Schaltfolge gibt, die die Startmarkierung in die gewünschte Ziel-Markierung überführt. Diese Eigenschaft ist bei mit Vernunft gezeichneten Ablaufdiagrammen kaum ein Problem. Der Zusammenhang zwischen Transitionen und erzeugten Markierungen kann für ein Ablaufdiagramm in einem Erreichbarkeitsgraphen dargestellt werden. Erreichbarkeitsgraphen sicherer Ablaufdiagramme sind nicht unendlich gross und können somit graphisch dargestellt werden. Beispiel (ohne Initialisierungsschritt!): Startmarkierung A Aus kommt A Aus kommt A Aus kommt A Aus kommt ein ein ein ein bereit bereit bereit bereit start start start start Temp. regeln Einfüllen Temp. regeln Einfüllen Temp. regeln Einfüllen Temp. regeln Einfüllen T erreicht T erreicht T erreicht T erreicht warten warten warten warten warten warten warten warten restart restart restart restart A Aus kommt ein bereit start Temp. regeln Einfüllen T erreicht warten warten restart Abbildung 2-14: Erreichbarkeitsgraph Komplettieren Sie den Erreichbarkeitgraphen: Zeigen Sie mit Pfeilen, wie die aus der Markierung links die anderen Markierungen entstehen. Geben Sie zu jedem Pfeil an, welche Transition dabei schalten muss. Achten Sie darauf, dass von jeder Markierung für jede Transition, die enabled ist, ein Pfeil wegführt. Wie erzeugt man für einen beliebigen Graphen den Erreichbarkeitsgraphen? Geben Sie dazu einen Algorithmus an. Automaten in der Steuerungstechnik.doc 2-34 JPK