Grundlagen der Mess- und Automatisierungstechnik

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1 TU Dresden Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik Professur für Verfahrensautomatisierung Prof. Dr.-Ing. habil. W. Klöden Grundlagen der Mess- und Automatisierungstechnik Arbeitsblätter und Aufgaben Dresden, März 2005

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung in die Automatisierungstechnik Grundbegriffe der Automatisierungstechnik Die Hauptklassen der Automatisierungsaufgaben Signal und System Symbolische Darstellung von EMSR-Stellen (DIN 19227/Teil 1) Ein einführendes Beispiel Binäre Steuerungen Grundbegriffe der Steuerungstechnik Die Grundstruktur eines Steuerungssystems Klassifikation von Steuerungssystemen Aufbau und Programmierung einer SPS Grundstruktur einer SPS Grundzüge der Programmierung einer SPS Verknüpfungssteuerungen Logische Verknüpfungen Verknüpfungssteuerungen ohne Speicherverhalten Verknüpfungssteuerungen mit Speicherverhalten Verknüpfungssteuerung mit Zeitverhalten Ablaufsteuerungen

3 1. Einführung in die Automatisierungstechnik 1.1 Grundbegriffe der Automatisierungstechnik! Automatisierung Realisierung von Funktionen der Überwachung, Sicherung, Stabilisierung, Führung und Optimierung von technischen Prozessen durch informationsverarbeitende technische Systeme. Automatisierung vollzieht sich auf der Basis der Gewinnung, Übertragung, Verarbeitung und Speicherung von Informationen.! Automatisierungstechnik Gegenstand der Automatisierungstechnik sind die Verfahren, Einrichtungen und Hilfsmittel, die der Automatisierung von Prozessen dienen. Inhalt der Automatisierungstechnik (als ingenieurwissenschaftlicher Spezialdisziplin) ist der Bestand an Methoden und Regeln für die Analyse der zu automatisierenden Prozesse und für die Gestaltung von Automatisierungseinrichtungen.! Automatisierungsziele S Übernahme komplizierter (den menschlichen Bediener überfordernder) Funktionen, die für die Beherrschung der Produktionsprozesse notwendig sind. Dieses Ziel ist dann von besonderer Bedeutung, wenn die Prozesse mit hohen Änderungsgeschwindigkeiten der Zustandsgrößen ablaufen, vielfältige Teilfunktionen koordiniert werden müssen oder die zu steuernden Prozesseinheiten räumlich dezentralisiert aufgestellt sind. S Verbesserung der Effizienz der Produktion. Dieses Ziel ist vor allem dann von Bedeutung, wenn die Nutzung der Rohstoffe und der Prozessenergie verbessert werden soll, wenn die Qualität der Endprodukte stabilisiert werden muss oder wenn besondere Anforderungen an die Flexibilität der Produktion gestellt werden (schnelle Reaktion auf wechselnde Kundenwünsche). S Erhöhung der Sicherheit der Produktion, Erhöhung der Lebensdauer der Ausrüstungen. Durch automatische Stabilisierung der Prozesse bei unterschiedlichen Störeinflüssen sowie durch automatisierte Zustandsdiagnostik lassen sich Sicherheit und Lebensdauer von Produktionsanlagen verbessern.! Stellung des Menschen in automatisierten Produktionsprozessen 2

4 1.2 Die Hauptklassen der Automatisierungsaufgaben Automatisierungsaufgabe Funktionelle Beschreibung Teilaufgaben Beispiele Prozessüberwachung Ständige Kontrolle der laufenden Prozessdaten. Eingriff bei Notwendigkeit durch den Bediener (kein automatischer Eingriff). Anzeigen, Registrieren von Prozessdaten; Anzeigen, Protokollieren, Signalisieren von Grenzwertüberschreitungen, Protokollierung von Bedienereingriffen; Überwachung einer Anlage auf umweltrelevante Belastungen (Luft, Wasser ). Prozesssicherung Das Automatisierungssystem greift in Störsituationen aktiv in den Prozessablauf ein. Sichern des Betriebs einer Anlage. Sichern der Produktqualität; Mensch und Umwelt vor Schaden bewahren; Automatisches Abfahren einer Anlage bei Überschreiten kritischer Grenzwerte. Prozessstabilisierung Die Wirkungen von Störungen auf den Prozessablauf sind zu beseitigen. Mit der Vorgabe neuer Prozessbedingungen sind diese einzustellen und zu stabilisieren. Offene (modellbasierte) Steuerung, Regelung; Stabilisierung der Temperatur in einem chemischen Reaktor. Prozessführung Realisierung von Prozessabläufen gemäß den technologischen Vorgaben nach einer ereignis- und/oder zeitgerechten Abfolge von Zuständen. Einstellung vorgegebener Zielbereiche, Anpassung an sich verändernde Produktionsbedingungen, Wartung und Instandhaltung; An- und Abfahren eines Reaktors. Prozessoptimierung Gestaltung des stationären Betriebs und/oder der dynamischen Übergangsprozesse gemäß vorgegebenen Optimalitätskriterien. Offene Steuerung und geschlossene Steuerung nach vorgegebenen Optimalitätskriterien; Zeitoptimale Umsteuerung eines Reaktors. 3

5 1.3 Signal und System! SIGNAL Ein Signal ist der Träger von Information. Die Bedeutung ergibt sich aus Vereinbarungen zwischen Sender und Empfänger. Die Darstellung ist an den Wert bzw. Werteverlauf (z.b. an die zeitliche Folge) einer physikalischen Größe (Spannung, Druck, Temperatur... ), die als Signalträger bezeichnet wird, gebunden. Die Größe, die die Information trägt, heißt Signalparameter. (s. auch DIN ) Bild 1.1 Signalklassen! SYSTEM Ein System ist eine abgegrenzte Menge von aufeinander einwirkenden Gebilden (Elemente des Systems). Sein Verhalten wird durch das Verhalten der Elemente und die Form der Kopplungen (Struktur des Systems) bestimmt. Die Elemente eines informationsverarbeitenden Systems werden bei einer gerätetechnischen Betrachtungsweise als Bauelemente, aus der Sicht der Informationsverarbeitung als Übertragungsglieder bezeichnet.! Signalflussplan (nach DIN ) Der Signalflussplan ist die sinnbildliche Darstellung der wirkungsmäßigen Zusammenhänge zwischen den Übertragungsgliedern eines informationsverarbeitenden Systems. Die Übertragungsglieder werden durch Blöcke symbolisiert, die eine spezifische Darstellungsform des Zusammenhangs zwischen Ein- und Ausgangssignalen enthalten. Signale werden durch Linien, die Pfeilspitzen in Wirkungsrichtung tragen, dargestellt. 4

6 Bild 1.2 Grundsymbole für Signalflusspläne Nach der DIN können in die graphischen Darstellungen für die Übertragungsglieder u.a. folgende Formen für das Übertragungsverhalten eingetragen werden: - Übergangsfunktion, - Frequenzgang in Gleichungsform, - Amplitudenkennlinie, - statische Kennlinie. 1.4 Symbolische Darstellung von EMSR-Stellen (DIN 19227/Teil1) Die Darstellung von Elektro-, Mess-, Steuer- und Regelstellen (EMSR-Stellen) nach DIN 19227/Teil 1, die sogenannte aufgabenbezogene Darstellung, verfolgt das Ziel, die konkreten Aufgaben, die durch das Automatisierungssystem zu lösen sind, im Zusammenhang mit dem technologischen Schema darzustellen. Diese integrierte Darstellung wird auch als RI- Fließbild (Rohrleitungs- und Informationsfließbild) bezeichnet. Wirkungsort und EMSR-Stelle werden durch eine Linie verbunden. Der Ausgabe- und Bedienort ist die Stelle, die dem Bediener für die Kommunikation unmittelbar zugänglich ist. Bild 1.3 Graphische Darstellung für EMSR-Stellen 5

7 ! Darstellung der Funktionen von EMSR-Stellen Die EMSR-Funktionen werden im oberen Teil des EMSR-Symbols durch eine Zeichenfolge gekennzeichnet. Es gilt folgende Regel: EB [ ERB ] FB [ FB...] EB Erstbuchstabe Dieser Buchstabe kennzeichnet eine Messgröße. ERB Ergänzungsbuchstabe Dieser Buchstabe ist optional; er modifiziert die Messgröße (Verhältnis, Differenz usw.) FB Folgebuchstaben Diese Buchstaben kennzeichnen die Verarbeitung der Messgröße Im nebenstehenden Beispiel sind die Elemente der Beschreibung einer EMSR-Stelle dargestellt. Die EMSR-Stellen-Bezeichnung dient der eindeutigen Kennzeichnung in den Schemata und in sonstigen Unterlagen. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Buchstaben in ihrer Bedeutung als Erstbuchstabe, Ergänzungs- sowie Folgebuchstabe angegeben: Erstbuchstabe Ergänzungsbuchst. Folgebuchstabe A Alarm C Regelung D Dichte Differenz E elektrische Größe F Durchfluss H Handeingriff oberer Grenzwert (+) I Anzeige J Messstellenabfrage 6

8 L Niveau unterer Grenzwert (-) P Druck Q Qualitätsgröße Integral, Summe R S T Temperatur Z Registrierung Ablaufsteuerung Noteingriff Im Bild 1.4 sind die graphischen Symbole für Stellort und Stellgeräte (in Auswahl) dargestellt. Die Wirkungslinie zwischen EMSR-Stelle und Stellgerät wird durch eine unterbrochene Linie dargestellt. Die Verbindung zwischen Stellort und Stellgerät ist eine durchgezogene Linie. Bild 1.4 Graphische Darstellung der Stellorte 1.5 Ein einführendes Beispiel Problemstellung Die Temperatur im dargestellten Rührkesselreaktor ist zu stabilisieren. Diese Zielstellung folgt aus der Forderung einer gleichmäßigen Produktqualität auf vorgegebenem Niveau. Lösungsansatz Die Menge des Kühlmediums, die dem Kühlkreislauf zugeführt wird, ist so zu wählen, dass das festgelegte Temperaturniveau in möglichst engen Grenzen eingehalten wird. Temperaturänderungen sind durch äußere Störungen zu erwarten. 7

9 Im nebenstehenden Bild ist der Lösungsansatz in der Symbolik der DIN dargestellt. Die EMSR-Stellen haben folgende Bedeutung: TIC Temperatur: Anzeige und Regelung EU Allgemeine Antriebsfunktion HZ Handeingriff bei Notsituationen Die EMSR-Stellen 03 und 02 werden durch ein Prozessleitsystem implementiert Die im vorangegangenen Bild dargestellte Lösung ist ein Spezialfall des einschleifigen Regelkreises, dessen allgemeine Struktur im folgenden Blockschaltbild dargestellt ist. Für die Lösung der Stabilisierungsaufgabe ist es notwendig, das dynamische Verhalten der Regelstrecke zu ermitteln. Auf der Grundlage dieser Kenntnisse kann dann ein geeigneter Regler ausgewählt und parametriert werden. 8

10 2. Binäre Steuerungen In diesem Abschnitt werden die Grundlagen der binären Steuerungen beschrieben. Binäre Steuerungen sind eine Teilklasse der diskreten Steuerungen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Eingangs- und Ausgangsgrößen des Steuerungssystems nur zwei Zustände annehmen können. Literaturhinweise: Wellenreuther, G. ; Zastrow, D. Automatisieren mit SPS, Braunschweig, Tröster, P. Steuerungs- und Regelungstechnik für Ingenieure, München, Grundbegriffe der Steuerungstechnik Die Grundstruktur eines Steuerungssystems! Steuerung Eine Steuerung ist ein zielgerichteter Ablauf in einem System, bei dem gewisse Eingangsgrößen bestimmte Ausgangsgrößen aufgrund der spezifischen im System wirkenden Gesetzmäßigkeiten beeinflussen.! Automatische Steuerung Bei einer automatischen Steuerung realisiert eine Steuereinrichtung (Steuerung im engeren Sinne) selbsttätig einen vorgegebenen Ablauf (Algorithmus) von Einwirkungen auf ein System. Das Ziel der Einwirkungen ist die sichere, qualitätsgerechte Realisierung eines Prozessablaufs. Steuerungen sind im Rahmen von Sicherungs-, Führungsund Optimierungsaufgaben anzutreffen.! Steuerung als Automatisierungssystem Für die automatisierte Steuerung ist ein Automatisierungssystem (das ebenfalls kurz als Steuerung bezeichnet wird) erforderlich. Als Automatisierungssysteme werden heute in der Regel: S Speicherprogrammierbare Steuerungen S Standard- oder Industrie-PC eingesetzt.! Struktur eines Steuerungssystems Die allgemeine Struktur eines Steuerungssystems ist im Bild 2.1 dargestellt. 9

11 Folgende Beispiele sind für die Elemente der Blockdarstellung zu nennen: Automatisierungssysteme: - Speicherprogrammierbare Steuerungen - Rechnersysteme (z.b. PC) Anzeigeeinrichtungen: - Bildschirme - Ziffern-Anzeigefelder - Schreiber, Drucker Bedieneinrichtungen: - Tastaturen - Schalter - Taster Stellglieder: - Schieber, Ventile, Klappen - Relais - Stellmotoren Bild 2.1 Struktur eines Steuerungssystems Messglieder: - Sensoren - Geber - Initiatoren Klassifikation von Steuerungssystemen! Klassifikation nach den zu erfüllenden Funktionen Festwertsteuerung: Es soll ein fester Wert der gesteuerten Größe eingestellt werden. Führungssteuerung: Der Verlauf der gesteuerten Größe soll vom zeitlichen Verlauf einer Führungsgröße abhängen. Der zeitliche Verlauf ist dabei zunächst nicht bekannt. Zeitplansteuerung: Der zeitliche Verlauf der zu steuernden Größe ist vorgegeben. 10

12 Wegplansteuerung: Der Verlauf des Weges der zu steuernden Größe ist vorgegeben. Ablaufsteuerung: Durch den Steueralgorithmus werden bestimmte Folgen von Steuereingriffen in Abhängigkeit vom Eintritt bestimmter Bedingungen festgelegt.! Klassifikation nach der Struktur In der folgenden Abbildung sind die beiden Grundstrukturen eines gesteuerten Systems (Prozess mit Steuerung) dargestellt. Bild 2.2 Offene und geschlossene Steuerung Bei der offenen Steuerung wird vorausgesetzt, dass sich die Zielgrößen durch vorgegebene Stellmaßnahmen am Prozess einstellen lassen. Die geschlossene Steuerung nutzt die Information über die Auswirkung der Steuermaßnahme. Die Regelung ist eine spezielle Form der geschlossenen Steuerung. Nach der DIN wird die geschlossene Steuerung dann als Regelung bezeichnet, wenn das rückgeführte Ausgangssignal (Regelgröße) genutzt wird, um durch laufenden Vergleich mit einer Führungsgröße die Regelgröße der Führungsgröße anzugleichen.! Klassifikation nach der Form der zu verarbeitenden Signale Analoge Steuerungen: Die zu verarbeitenden Signale sind überwiegend analoge Signale. Diskrete Steuerungen: Die zu verarbeitenden Signale sind überwiegend diskrete Signale (die Signale können nur eine begrenzte Anzahl von Werten annehmen). Diese Steuerungen lassen sich weiter untergliedern in: 11

13 Digitale Steuerungen: Es werden vorwiegend numerisch (binär) codierte Signale verarbeitet. Binäre Steuerungen: Es werden vorwiegend binäre Signale (die nur zwei Signalzustände annehmen können) verarbeitet.! Klassifikation nach der Form der Signalverarbeitung durch das Automatisierungssystem Verknüpfungssteuerung: Die Zuordnung zwischen Ein- und Ausgangsgrößen erfolgt in der Form logischer (BOOLEscher-) Ausdrücke. Ablaufsteuerung: Die Zuordnung zwischen Ein- und Ausgangsgrößen erfolgt durch einen sequentiellen Algorithmus, der einen zwangsläufigen schrittweisen Ablauf realisiert. Es werden die folgenden Spezialformen unterschieden: Zeitgeführte Ablaufsteuerung: Die Weiterschaltbedingungen sind von der Zeit abhängig. Prozessgeführte Ablaufsteuerung: Die Weiterschaltbedingungen sind von Prozesszuständen abhängig.! Klassifikation nach der Art der Programmierung des Automatisierungssystems Verbindungsprogrammierte Steuerungen (VPS): Der Steueralgorithmus wird durch die feste Verbindung von elektronischen, pneumatischen oder mechanischen Funktionselementen realisiert. Dabei sind festprogrammierte und programmierbare VPS zu unterscheiden. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS): Der Steueralgorithmus wird als Binärcode im Programmspeicher des Steuerungs-Systems abgelegt. Es sind freiprogrammierbare und austauschprogrammierbare SPS zu unterscheiden. 2.2 Aufbau und Programmierung einer SPS Im folgenden werden (wie eingangs bereits hervorgehoben) die binären Steuerungen betrachtet. Für die technische Realisierung derartiger Steuerungen kommen als Automatisierungssysteme überwiegend SPS s zum Einsatz. Aus diesem Grunde werden die Grundzüge der Programmierung einer SPS behandelt Grundstruktur einer SPS Eine SPS folgt in ihrer inneren Struktur weitgehend dem Modell des Mikrorechnersystems mit Prozessperipherie. Im Bild 2.3 sind diese Strukturelemente in ihre prinzipiellen Kopplungen, wie sie für die Informationsverarbeitung notwendig sind, dargestellt. 12

14 Ein-/Ausgabe-Baugruppen: Diese Baugruppen stellen die Verbindungen zum zu steuernden Prozess (über die Sensoren/Aktoren) her. Folgende Grundtypen sind zu unterscheiden: S Analog-Eingabe-Kanäle S Analog-Ausgabe-Kanäle S Binär-Eingabe-Kanäle S Binär-Ausgabe-Kanäle S Zähler-Eingabe-Kanäle S Impuls-Ausgabe-Kanäle Steuerwerk: Diese Baugruppe steuert die zyklische Programmabarbeitung und initialisiert das System. Speicher-Bereiche: 1 ROM -Bereich: Enthält die festen Abschnitte des Betriebssystems. 2 RAM -Bereich: Enthält die Arbeitsbereiche des Betriebssystems und das Anwenderprogramm. Prozessabbild: Speicherbereich (RAM), der die Bild 2.3 Struktur einer SPS aktuellen Eingangs-/Ausgangssignale enthält. Merker: Speicherbereich (RAM), in dem Zwischenresultate abgelegt werden können. Remanente Merker sind Speicherbereiche, die beim Abschalten des Systems ihre momentanen Werte behalten. Schnittstelle: Baugruppe, die die Kommunikation mit übergeordneten Systemen (Programmiergerät, Prozessleitrechner..) herstellt. Hierbei handelt es sich in der Regel um eine serielle Schnittstelle. 1 ROM - Read Only Memory : Speicherbereich, der nur gelesen werden kann. 2 RAM - Random Access Memory : Speicherbereich, aus dem gelesen und in den geschrieben werden kann. 13

15 2.2.2 Grundzüge der Programmierung einer SPS! Basiszyklus der Programmabarbeitung Ein SPS-Programm wird in der Regel zyklisch abgearbeitet. Der Basiszyklus ist in Bild 2.4 dargestellt. Erfassen der Eingangssignale heißt, dass das Prozessabbild eingangsseitig aktualisiert wird. Die Anweisungsfolge des Anwenderprogramms wird gemäß der Programmstruktur abgearbeitet. Für die aktuellen Signalzustände wird auf das aktualisierte Prozessabbild zurückgegriffen. Die Länge des Anwenderprogramms bestimmt die Dauer eines Bearbeitungszyklus. Die aktualisierten Ausgangssignale werden an den Prozess ausgegeben (ausgangsseitige Aktualisierung des Prozessabbildes). Bild 2.4 Zyklus der Programmabarbeitung! SPS - Programmstruktur Im folgenden wird die Struktur eines SPS-Programms dargestellt, wie sie sich im Entwicklungssystem STEP 7 darstellt. Das Entwicklungssystem läuft unter den Betriebssystemen WIN95/98. Das Entwicklungssystem hat die folgenden Hauptbestandteile: S Simatic-Manager Das ist das Rahmenprogramm der Benutzeroberfläche; es steuert die Kommunikation zwischen den Systemkomponenten und dem Anwender. S Hardware-Konfigurationseditor Über diese Komponente wird die konkrete Hardware-Konfiguration der Steuerung beschrieben. S Programm-Editoren 14

16 Diese für verschiedene Programmiersprachen verfügbaren Werkzeuge dienen der Erzeugung der Anwenderprogramme. Zunächst ist festzuhalten, dass eine vollständige Anwendung als Projekt bezeichnet wird; das Projekt umfasst die im folgenden Bild dargestellten Komponenten. Jedes Projekt wird in einem separaten Ordner abgelegt. Es umfasst die in der nebenstehenden Abbildung dargestellten Unterordner. Diese enthalten, neben den aus dem Verzeichnisbaum erkennbaren jeweils nachfolgenden Ordner, folgende Bestandteile des Projektes: SIMATIC 300-Station In diesem Ordner findet sich die Beschreibung der konkreten Hardware der SPS (CPU und Prozessperipherie). CPU <Nr.> In diesem Ordner werden alle Daten zur programmierbaren Baugruppe abgelegt. S7-Programme Dieser Ordner ist der Rahmen für alle Programm-Komponenten der Anwendung. Quellen In diesem Ordner werden die Texte von Quellprogrammen abgelegt, die mit einem Texteditor erzeugt werden. Bausteine In diesem Ordner werden die Bausteine (Organisationsbausteine, Funktionsbausteine, Datenbausteine usw.) der Anwendung abgelebt. Ein STEP7-Programm besteht aus Bausteinen, wobei zwischen Codebausteinen, die den eigentlichen Programmcode enthalten, und Datenbausteinen zu unterscheiden ist. Diese Bausteine strukturieren nicht nur den Entwicklungsprozess, sie lassen sich auch klar in ihren Funktionen zur Laufzeit unterscheiden. Folgende Codebausteintypen sind zu unterscheiden: Organisationsbausteine (OB) Diese Bausteine definieren die Schnittstelle zwischen dem Betriebssystem der Steuerung und der Anwendung. Organisationsbausteine werden beim Eintreffen bestimmter Ereignisse durch das Betriebssystem aufgerufen. Der zyklische Programmablauf wird 15

17 durch den OB1 organisiert. Die Anwendung muss damit von OB1 aus aktiviert werden. Funktionsbausteine (FB) Die Funktionsbausteine sind die Unterprogramme, in die der Anwender das Projekt gliedert. Funktionsbausteine können einen Parameterteil besitzen. Zu jeden FB gehört ein Instanz-Datenbaustein, der für jeden Aufruf des FB die statischen lokalen Daten aufnimmt. Funktionen (FC) Funktionen sind Unterprogramme, die einen definierten Rückgabewert erzeugen. Die lokalen Bausteindaten sind nach dem Funktionsaufruf nicht mehr verfügbar. Folgende Datenbausteintypen sind zu unterscheiden: Instanz-Datenbausteine Diese Bausteine sind für die Speicherung der statischen lokalen Daten von Funktionsbausteinen vorgesehen. Global-Datenbausteine Diese Bausteine gestatten die Definition von Datenbereichen, auf die alle Codebausteine einer Anwendung zugreifen können. Im folgenden Bild ist das Zusammenwirken der Bausteintypen dargestellt: 16

18 ! SPS-Programmiersprachen Die Programmiersprachen für die SPS-Programmierung sind durch den internationalen Standard IEC (dem entspricht DIN EN ) genormt. Damit soll der Austausch von Programmen zwischen den Steuerungssystemen unterschiedlicher Hersteller unterstützt werden. Die Entwickler von Programmiersystemen sind gehalten, diesen Standard zu berücksichtigen. Dabei sind aber herstellerspezifische Abweichungen festzustellen, die vor allem den Umfang der Implementierung und die gewählte Notation bzw. Darstellung der Elemente der Programmiersprachen betreffen. Im folgenden wird von den konkreten Bedingungen des SPS-Programmiersystem STEP 7 der Firma SIEMENS ausgegangen. Im Rahmen dieses Programmiersystems sind folgende Programmiersprachen verfügbar: S Anweisungsliste (AWL) Diese Programmiersprache ist eine textorientierte Programmiersprache, die der Assemblersprache sehr ähnlich ist. Die Programme bestehen aus elementaren Steueranweisungen, so wie sie im Bild 2.8 in allgemeiner Form dargestellt sind. Im Bild 2.5 ist die Oberfläche des AWL-Editors, wie er in STEP 7 bereitgestellt wird, zu sehen. Bild 2.5 AWL - Editor 17

19 S Kontaktplan (KOP) Die Sprache Kontaktplan ist eine graphische Programmiersprache. Die Programme, die in KOP erstellt werden, folgen in ihrer Syntax Stromlaufplänen. S S7-GRAPH 1 S7-GRAPH ist eine graphische Programmiersprache, die für die Implementierung von Ablaufsteuerungen effiziente Ausdrucksmittel bereitstellt. S Funktionsplan (FUP) 2 Die Programmiersprache Funktionsplan ist eine graphische Programmiersprache, die für die elementaren logischen und arithmetischen Operationen graphische Blöcke definiert. Komplexe Operationen werden durch die zwischen den Blöcken herstellbaren Verknüpfungen, die durch Linien dargestellt werden, definiert. Im Bild 2.6 ist der FUP- Editor, wie er in STEP 7 erscheint, dargestellt. Bild 2.6 FUP-Editor 1 Diese Sprache heißt in IEC Ablaufsprache 2 Diese Sprache heißt in IEC Funktionsbausteinsprache 18

20 S Structured Control Language (SCL) 1 SCL ist eine höhere, textorientierte Programmiersprache, die in der Syntax der Sprachelemente große Ähnlichkeit mit der Programmiersprache Pascal aufweist. So gibt es die für die strukturierte Programmierung typischen Sprachelemente wie die Schleife- Anweisung, die Laufanweisung oder die Fallauswahl-Anweisung. Im Bild 2.7 ist der SCL-Editor, wie er in STEP 7 erscheint, dargestellt. Bild 2.7 SCL-Editor! Elemente der Sprache Anweisungsliste # Aufbau einer Steueranweisung Die grundlegende Form eines SPS-Programms ist eine Folge von Steueranweisungen. Eine Programmiersprache, die entsprechende Ausdrucksmittel für die Entwicklung von Anwenderprogrammen bereitstellt, bezeichnet man als Anweisungsliste. Die Steueranweisungen haben eine (nach IEC ) definierte Struktur, die im Bild 2.8 dargestellt ist. 1 Diese Sprache heißt in IEC Strukturierter Text 19

21 Bild 2.8 Struktur einer Steueranweisung Die spezifische Bedeutung einer Steueranweisung folgt aus der Form des Operationsteils; die zu verarbeitenden Operanden werden im Operandenteil spezifiziert. Operationsteil: Der Operationsteil beschreibt die konkrete Aktion, die durch das Steuerprogramm ausgeführt werden soll. Es sind Operationen - zur Signalverarbeitung - zur Programmorganisation zu unterscheiden. Operandenteil: Der Operandenteil beschreibt die zu verarbeitenden Daten. Die konkreten Formen von Operations- und Operandenteil sind abhängig von der Syntax der gewählten SPS-Programmiersprache. # Ausgewählte Symbole für den Operationsteil in AWL-Programmen: Operationen zur Signalverarbeitung Symbol U O Operation Logisches UND (Konjunktion) Logisches ODER (Disjunktion) 20

22 N Logisches NICHT (Negation) X Exklusives Oder = Zuweisung eines Resultats S Setzen einer binären Größe (1) R Rücksetzen einer binären Größe (0) Operationen für die Programmorganisation Symbol L UC CC CALL Operation Laden einer Größe in das Akkumulatorregister Akku1 Unbedingter Bausteinaufruf Bedingter Bausteinaufruf Unbedingter Aufruf eines Funktionsbausteins / einer Funktion # Ausgewählte Symbole für den Operandenteil von AWL-Programmen Der Operandenteil besteht aus den drei Unterfeldern Kennzeichen, Ergänzung und Parameter (s. Bild 2.8): Kennzeichen Symbol E A T M Z Bedeutung Eingang Ausgang Zeitglied (Timer) Merker Zähler Ergänzung Symbol B Bedeutung Byte (8 bit) 21

23 W D I E A Wort (16 bit) Doppelwort (32 bit) Impuls Einschaltverzögerung Ausschaltverzögerung Parameter Für die Kennzeichen A, E, M Byteadresse. Bitadresse Beide Adressen sind ganze Zahlen Für die Kennzeichen Z, T Ganze Zahl # Klammeroperatoren Durch die folgenden Klammeroperatoren kann die Abarbeitungsreihenfolge von Steueranweisungen beeinflusst werden. Klammeroperator Bedeutung U( Der Ausdruck in der Klammer wird vor der UND-Operation berechnet ) O( Der Ausdruck in der Klammer wird vor der ODER-Operation berechnet ) X( Der Ausdruck in der Klammer wird vor der XOR-Operation berechnet ) Beispiele für Parameter: E E binäre Eingänge (verteilt auf zwei Bytes) E E1.0 A A binäre Ausgänge (verteilt auf zwei Bytes) A A1.0 M M binäre Merker (verteilt auf zwei Bytes) M M1.0 22

24 ! Ausgewählte Elemente der SPS-Programmiersprachen SCL und Funktionsplan In der folgenden Tabelle sind die Elemente für die logischen Grundoperationen zusammengestellt. Weitere Elemente werden in den folgenden Abschnitten eingeführt. Funktion Anweisungsliste (AWL) SCL Funktionsplan (FUP) UN E1.1 = A1.0 A1.0:= NOT E1.1 A1.0 = E1.1 & E1.2 U E1.1 U E1.2 = A1.0 A1.0:= E1.1 AND E1.2 A1.0 = E1.1 v E1.2 O E1.1 O E1.2 = A1.0 A1.0:= E1.1 OR E1.2 A1.0 = E1.1 E1.2 X E1.1 X E1.2 = A1.0 A1.0:= E1.1 XOR E1.2 23

25 2.3 Verknüpfungssteuerungen Logische Verknüpfungen Für die Analyse und Synthese binärer Steuerungen ist die zweiwertige Logik für die Beschreibung der Zusammenhänge zwischen den Ein- und Ausgangsgrößen eine wichtige Grundlage. Als logische Verknüpfungen werden Verknüpfungen von Operanden (logische Konstanten oder Variable), die nur zwei Werte annehmen können, durch logische Operatoren bezeichnet. Die beiden möglichen Werte der logischen Variablen werden im folgenden mit 0" und 1" bezeichnet. Für die Beschreibung binärer Steuerungen sind die folgenden logischen Verknüpfungen die Grundlage: E E Negation Konjunktion A1.0 = E1.1 & E Disjunktion A1.0 = E1.1 v E Antivalenz A1.0 = E1.1 E In der Tabelle sind die Werteverläufe der Grundverknüpfungen dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Negation den Wert einer logischen Variablen umkehrt, die Konjunktion nur dann den Wert 1 ergibt, wenn beide Operanden den Wert 1 besitzen und die Disjunktion nur dann den Wert 0 ergibt, wenn beide Operanden den Wert 0 besitzen. Die Antivalenz zwischen zwei Variablen liefert den Wert 1, wenn beide Eingänge unterschiedlichen Signalzustand haben. Logische Ausdrücke entstehen durch die wiederholte Ausführung von Grundverknüpfungen. Dabei sind folgende Vorrangregeln zu beachten: Priorität Operator 1 ( ) Klammern haben höchste Priorität 2 Negation 3 Konjunktion 4 Disjunktion und Anitvalenz Beispiel: 1 Antivalenz ist eine andere Bezeichnung für das exklusive ODER. 24

26 Wird dieser Ausdruck ausgewertet, so wird nach den Vorrangregeln wie folgt verfahren: Der Klammerausdruck wird zuerst ausgewertet. Anschließend werden die Konjunktionen ausgeführt, wobei der Operand E1.4 vorher negiert wird.! Gesetze für die Umformung logischer Ausdrücke ( Rechenregeln ) S Verknüpfung von Variable und Konstanten (2.1) (2.2) S Kommutativgesetze (2.3) S Assoziativgesetze (2.4) S Distributivgesetze (2.5) Die beiden Distributivgesetze sind charakteristisch für die logischen Operatoren (für die arithmetischen Operatoren gibt es nur ein Distributivgesetz!). S demorgansche Regeln (2.6) 25

27 S Weitere Regeln (2.7) Diese Formeln werden für die Vereinfachung von Schaltfunktionen benötigt Verknüpfungssteuerungen ohne Speicherverhalten Verknüpfungssteuerungen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Zustände der Ausgangssignale sich aus den Zuständen der Eingangssignale über logische Verknüpfungen ergeben. Bei Verknüpfungssteuerungen ohne Speicherverhalten ergeben sich die Ausgangssignalzustände zu jedem beliebigen Zeitpunkt ausschließlich aus den Zuständen der Eingangssignale. Diese Zusammenhänge lassen sich über logische Funktionen beschreiben, die jedem Ausgangssignal einen logischen Ausdruck zuordnen, der ausschließlich die Eingangssignale über logische Operationen verknüpft. Für die Realisierung einer derartigen Steuerung müssen diese Funktionen, die Schaltfunktionen, aus der Aufgabenstellung hergeleitet werden. Ausgangspunkt ist dabei die Schaltbelegungstabelle (oder Zuordnungstabelle). In diese Tabelle werden für alle möglichen Kombinationen der Zustände der Eingangssignale die diesen Kombinationen zugeordneten Zustände der Ausgangssignale eingetragen. Da die Eingangssignale jeweils zwei Zustände annehmen können, folgt, dass die Tabelle bei n Eingangssignalen Zeilen haben wird. Hat die Steuerung m Ausgangssignale zu berücksichtigen, so hat die Tabelle n+m Spalten. Damit ergibt sich die folgende Form: Belegung dieser Spalten gemäß Aufgabenstellung Die Zustände der Eingangssignale werden dabei so variiert, dass die n-te Größe in jedem Schritt verändert wird, die (n-1) nach jedem zweiten Schritt,...und die erste nach dem - ten Schritt. Dadurch werden alle möglichen Kombinationen der Eingangssignalzustände gebildet. 26

28 ! Verfahren zur Ableitung der Schaltfunktion aus der Schaltbelegungstabelle Voraussetzungen: S Alle möglichen Kombinationen von Zuständen der Eingangssignale werden in der Schaltbelegungstabelle berücksichtigt. S Die Ableitung der Schaltfunktion wird für jedes Ausgangssignal separat vorgenommen. Verfahrensschritte: S Es werden die Zeilen der Tabelle ausgewählt, für die das gewählte Ausgangssignal den Wert "1" annimmt. Die Variablen werden gemäß ihrer Werte in diesen Zeilen konjunktiv verknüpft. Dabei ist wie folgt zu verfahren: = Hat die Variable den Wert "1", so ist sie ohne weiteres in den Ausdruck aufzunehmen. = Hat die Variable den Wert "0", so ist sie negiert in den Ausdruck aufzunehmen. Eine so gebildete konjunktive Verknüpfung liefert genau dann den Wert "1", wenn die Variablen die Werte der jeweiligen Zeile der Schaltbelegungstabelle annehmen. S Alle nach dieser Vorschrift gebildeten Terme werden disjunktiv zur eigentlichen Schaltfunktion verknüpft. Diese Funktion nimmt genau dann den Wert "1" an, wenn mindestens einer der konjunktiven Terme den Wert "1" annimmt. Das trifft aber gerade für die ausgewählten Zeilen der Schaltbelegungstabelle zu. Die Schaltfunktion, die nach diesem Verfahren konstruiert wird, besitzt die Form der disjunktiven Normalform.! Vereinfachung der Schaltfunktion Die als disjunktive Normalform vorliegende Schaltfunktion hat in der Regel eine erhebliche Anzahl redundanter Terme, die bei der Implementierung durch ein SPS-Programm den Aufwand unnötig erhöhen. Es ist darum notwendig, die Schaltfunktion so umzuformen, dass sie die Verknüpfung mit einer möglichst kleinen Anzahl logischer Elementaroperationen realisiert. Analytische Vereinfachung Die Formeln (2.1) bis (2.7) können genutzt werden, um die Schaltfunktionen zu vereinfachen. Dabei muss anhand der konkreten Funktion entschieden werden, welche Formel heranzuziehen ist. 27

29 KARNAUGH-Pläne Bei diesem Verfahren zur Vereinfachung der Schaltfunktion handelt es sich um ein graphisches Verfahren. Es läuft in folgenden Schritten ab: S Konstruktion des Planes KARNAUGH-Pläne stellen eine anders angeordnete Form der Schaltbelegungstabelle dar. Die Tabelle wird so umgeordnet, dass beim Übergang von einem Tabellenfeld zu einem benachbarten gerade ein Eingangssignal seinen Wert ändert. In den Feldern der Tabelle stehen die Werte eines Ausgangssignals. Im Bild 2.9 wird die Konstruktion der KARNAUGH-Pläne dargestellt. Bild 2.9 Konstruktion von KARNAUGH-Plänen - Zusammenfassung der Felder zu "Blöcken" Die Bildung der Blöcke vollzieht sich nach folgenden Regeln: = Die Schaltbelegungstabelle wird in den KARNAUGH-Plan übertragen. n = Es werden zusammenhängende Abschnitte von 2 (n=1,2,...) Feldern gesucht, die mit dem gleichen Wert belegt sind, und zu rechteckigen Blöcken zusammengefasst. = Es sind möglichst wenige und möglichst große Blöcke zu bilden. = Jedes Feld, mit dem auszulesenden Wert ( 1" oder 0"), muss dabei mindestens einmal ausgelesen werden. = Felder können auch mehrfach ausgelesen werden, wenn dies die Blockbildung begünstigt. = Gegenüberliegende Randfelder sind wie benachbarte Felder zu behandeln, also ebenfalls zusammenzufassen. S Bildung der minimierten Schaltfunktion = Ausgelesen werden entweder alle Felder mit dem Wert 1" für y, oder alle Felder mit dem Wert 0" für (und anschließend negiert). = Alle Eingangssignale, deren Werte sich in einem Block nicht ändern, werden konjunktiv zu einem Term verknüpft. = Alle Terme, die sich für die einzelnen Blöcke ergeben, werden disjunktiv verknüpft. i 28

30 2.3.3 Verknüpfungssteuerungen mit Speicherverhalten Bei Verknüpfungssteuerungen mit Speicherverhalten gehen in die logischen Funktionen für die Ausgangssignale nicht nur die Eingangssignale ein, sondern auch gespeicherte innere Zustandsgrößen. Als wichtiges neues Element für die SPS-Programmierung wird das RS-Speicherelement eingeführt.! Zustandstabelle des RS-Speicherelements i i i+1 S R Q Kommentar i 0 0 Q Der letzte Zustand bleibt erhalten Setzen aktiv Rücksetzen aktiv. 1 1? Zwei Möglichkeiten sind denkbar: 1 Setzen ist dominant 0 Rücksetzen ist dominant! RS-Speicherelement / Rücksetzen dominant S R Q Operand Setzeingang Rücksetzeingang Ausgang Die binäre Variable, die gesetzt bzw. rückgesetzt werden soll Beispiel in AWL - Notation // Variablen // S E 0.1 // R E 0.2 // Operand M1.1 U E 0.1 S M 1.1 U E 0.2 R M 1.1 Bild 2.10 RS-Speicherelement (R-dominant) 29

31 RS- Speicherelement / Setzen dominant Beispiel in AWL - Notation // Variablen // S E 0.1 // R E 0.2 // Operand M1.1 U E 0.2 R M 1.1 U E 0.1 S M 1.1 Bild 2.11 RS-Speicherelement (S-dominant) // RS - Speicherelement (Setzen dominant) in SCL IF E0.2 THEN M1.1:=0; END_IF; IF E0.1 THEN M1.1:=1; END_IF; Verknüpfungssteuerung mit Zeitverhalten Für viele Steuerungsprobleme ist es notwendig, zwischen einem Eingangssignal (Startsignal) und einem Ausgangssignal eine Zeitrelation herzustellen. Die im folgenden aufgeführten Zeitglieder unterstützen die Lösung dieser Probleme. Für die Definition der Zeitrelationen ist es notwendig, Zeitkonstanten anzugeben. Die Syntax dieser Konstanten wird zunächst beschrieben.! Kodierung einer Zeitkonstanten S5T#aH_bbM_ccS_dddMS Es bedeuten a Stunde bb Minuten (max. zweistellig) cc Sekunden (max. zweistellig) ddd Millisekunden (max. dreistellig) Beispiele: S5T#40S ----> 40 s S5T#4M ----> 4 min 30

32 ! Zeitelemente in AWL und FUP-Darstellung Im nebenstehenden Bild ist der allgemeine Aufbau eines Zeitelements in Funktionsplandarstellung angegeben. Die konkrete Zeitfunktion wird durch den Kenntext S_<Text> beschrieben. Die anderen Bezeichnungen stimmen bei allen Zeitelementen überein. Die Auswertung von Setz- und Rücksetzeingang ist von der Funktion des Zeitelements abhängig. Bild 2.12 Zeitelement in FUP-Darstellung SI-Zeitelement (Starten als Impuls) Die Zeitzählung beginnt mit dem Wechsel des Setzeingangs (S) von "0" auf "1". Das Zeitelement wird rückgesetzt, wenn die eingestellte Zeit abgelaufen ist, der Setzeingang auf "0" gesetzt wird oder der Rücksetzeingang (R) aktiviert wird. Der Ergebnisausgang (Q) hat den Wert "1" während der Laufzeit des Elements. U E 1.0 // Abfrage Setzeingang L S5T#00H00M50S00MS // Laden Zeitkonstante SI T 1 // Starten als SI-Zeitelement U E 1.1 // Abfrage Rücksetzeingang R T 1 // Rücksetzen bei R-Signal U T 1 // Abfrage Ergebnis von T1 = A 1.0 // Abspeichern Ergebnis 31

33 SV-Zeitelement (Start als verlängerter Impuls) Die Zeitzählung beginnt mit dem Wechsel des Setzeingangs (S) von "0" auf "1". Der Ergebnisausgang wird für die Dauer der eingestellten Zeit auf "1" gesetzt, unabhängig davon, ob der Setzeingang während dieser Zeit wieder "0" annimmt. Der vorzeitige Abbruch der Zeitzählung ist nur über den Rücksetzeingang (R) möglich. U E 1.0 // Abfrage Setzeingang L S5T#00H00M50S00MS // Laden Zeitkonstante SV T 2 // Starten als SV-Zeitelement U E 1.1 // Abfrage Rücksetzeingang R T 2 // Rücksetzen bei R-Signal U T 2 // Abfrage Ergebnis von T2 = A 1.0 // Abspeichern Ergebnis SE-Zeitelement (Start als Einschaltverzögerung) Nach Ablauf der eingestellten Zeit wird Q auf "1" gesetzt. Q wird rückgesetzt, wenn S rückgesetzt oder R gesetzt wird. 32

34 U E 1.0 // Abfrage Setzeingang L S5T#00H00M50S00MS // Laden Zeitkonstante SE T 3 // Starten als SE-Zeitelement U E 1.1 // Abfrage Rücksetzeingang R T 3 // Rücksetzen bei R-Signal U T 3 // Abfrage Ergebnis von T3 = A 1.0 // Abspeichern Ergebnis SS-Zeitelement (Start als speichernde Einschaltverzögerung) Mit diesem Zeitelement kann ein verzögertes Einschalten realisiert werden. Der Unterschied zu SE besteht darin, dass das Ausgangssignal Q nicht zurückgesetzt wird, wenn das Setzsignal auf 0' zurückgeht, es kann nur durch den Rücksetzeingang R rückgesetzt werden. U E 1.0 // Abfrage Setzeingang L S5T#00H00M50S00MS // Laden Zeitkonstante SS T 4 // Starten als SS-Zeitelement U E 1.1 // Abfrage Rücksetzeingang R T 4 // Rücksetzen bei R-Signal U T 4 // Abfrage Ergebnis von T4 = A 1.0 // Abspeichern Ergebnis 33

35 SA-Zeitelement (Start als Ausschaltverzögerung) Mit dem Setzeingang S wird auch Q gesetzt. Mit dem Rücksetzen von S beginnt die Zählung der Verzögerungszeit. Q wird rückgesetzt, wenn diese Zeit abgelaufen ist. Der Eingang R hat Priorität im Rücksetzen des Zeitelements. U E 1.0 // Abfrage Setzeingang L S5T#00H00M50S00MS // Laden Zeitkonstante SA T 5 // Starten als SA-Zeitelement U E 1.1 // Abfrage Rücksetzeingang R T 5 // Rücksetzen bei R-Signal U T 5 // Abfrage Ergebnis von T5 = A 1.0 // Abspeichern Ergebnis! Zeitdiagramme Im folgenden Bild sind einige Zeitabläufe dargestellt. Dabei wurden die wichtigsten Fälle aufgezeichnet. Der Eingang R hat stets höchste Priorität im Rücksetzen; er wird in den Diagrammen deshalb nicht mit dargestellt. 34

36 35

37 2.4 Ablaufsteuerungen! Eigenschaften von Ablaufsteuerungen Ablaufsteuerungen realisieren einen zwangsweisen Ablauf der Steueraktionen in einzelnen Schritten. Der Übergang von einem bestimmten Schritt in den nächsten ist von gewissen Bedingungen, den Weiterschaltbedingungen, abhängig. Ein Steuerschritt ist dem technologischen Ablauf eindeutig zugeordnet. Daraus folgt, dass die "inneren Zustände" des Steuerungssystems den technologischen Abläufen entsprechen. Ablaufsteuerungen sind für die Prozessführung von besonderer Bedeutung. Es sind zwei Grundformen zu unterscheiden: - Zeitgeführte Ablaufsteuerungen: Die Weiterschaltbedingungen ergeben sich aus einem vorgegebenen zeitlichen Ablauf (Zeitplan). - Prozessgeführte Ablaufsteuerungen: Bestimmte Bedingungen, die die Zustandsgrößen des Prozesses erfüllen müssen, bestimmen die Zustandsfolge der Steuerung.! Struktur einer Ablaufsteuerung Die Strukturelemente einer Ablaufsteuerung sind: S S S S Betriebsartüberwachung: Bearbeitung der Anforderungen der eingestellten Betriebsart. Folgende Betriebsarten sind von Bedeutung: = Automatikbetrieb: Nach dem Startsignal läuft die durch die Ablaufkette festgelegte Befehlsfolge ohne direkte Eingriffe des Bedieners ab. Das ist die "Standardbetriebsart". = Einzelschrittbetrieb: Die Ablaufkette wird von Hand schrittweise weitergeschaltet. Diese Betriebsart ist für Test und Inbetriebnahme von Bedeutung. Meldeteil: Realisiert die notwendigen Mitteilungen der Steuerung an den Bediener über die = eingestellte Betriebsart = aktuelle Schrittnummer = aufgetretenen Störungen. Ablaufkette: Die Ablaufkette stellt den schrittweisen Ablauf der Steuerung dar. Befehlsausgabe: Die Steuersignale werden an die Prozessperipherie ausgegeben. 36

38 Bild 2.14 Struktur einer Ablaufsteuerung 37

39 ! Ablaufkette Die Ablaufkette muss durch einen geeigneten Ablaufplan beschrieben werden. Dieser Ablaufplan S stellt die einzelnen Schritte der Ablaufsteuerung in ihrer Reihenfolge dar, S weist die für jeden Schritt notwendigen Weiterschaltbedingungen aus, S gibt die in jedem Schritt auszuführenden Steuerbefehle an. Die nachfolgende Darstellung für die Beschreibung der Ablaufkette ist nach DIN IEC genormt: Bild 2.15 Darstellung der Ablaufkette 38

40 ! Darstellung eines Schrittes der Ablaufkette Für die allgemeine Beschreibung eines Schrittes der Ablaufkette kann man die anschauliche Funktionsplan-Darstellung heranziehen. Der Kern eines Schrittes ist dann ein RS-Speicherelement, dessen Ausgang Q genau dann aktiv ist, wenn der betreffende Schritt der aktuelle Schritt ist. Über den Setzeingang S wird der Schritt aktiviert und über den Rücksetzeingang R wieder deaktiviert. Im Bild 2.16 ist ein (vereinfachtes) Schema des Schrittes einer Ablaufkette dargestellt: Bild 2.16 Einzelschritt der Ablaufkette Die verwendeten Symbole haben folgende Bedeutung Schrittmerker Rücksetzsignal Weiterschaltbedingung Befehlsausgabe 39

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42 Technische Universität Dresden Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik Professur Verfahrensautomatisierung Aufgabensammlung Übungsaufgaben und Hausaufgaben zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Mess- und Automatisierungstechnik (Steuerungstechnik) 1. Übung Aufgabe 1: In dem dargestellten Reaktionsbehälter sollen vier Komponenten miteinander reagieren, dabei werden Temperatur und Füllstand überwacht. Ein Gebläse soll das entstehende Abgas absaugen, wenn der Füllstand einen be- über- stimmten Grenzwert Lgrenz schreitet und das Rührwerk in Betrieb ist sowie wenn die Temperatur einen Grenzwert Tgrenz überschreitet und das Rührwerk in Betrieb ist. Das Abflussventil soll geöffnet werden, wenn von den vier Zuflüssen der Zufluss II und mindestens noch ein weiterer geöffnet ist, darf aber nicht geöffnet werden, wenn die Zuflüsse III und IV gleichzeitig geöffnet sind. Aufgabe 2: In einem Betrieb sind drei Abwasserpumpen mit unterschiedlicher Förderleistung installiert, die je nach Schmutzwasseranfall zugeschaltet werden. Dazu ist eine Melde- und Steuereinrichtung zu entwerfen, die folgende Funktionen erfüllt: Die ins Abwassernetz eingeleitete Schmutzwassermenge soll ständig als Dualzahl angezeigt werden. 1

43 Bei Überschreiten der Ausstoßmenge von soll ein Meldesignal ansprechen, da die über abgeführte Wassermenge mit dem doppelten Leistungspreis berechnet wird. Das Umweltamt soll je nach der Belastungssituation die Überschreitung der kritischen Abwassermenge von sperren können. Entwickeln Sie ein Step 7 - Programm für diese Überwachungseinrichtung. Hausaufgabe zur 1. Übung In zwei Vorratsbehältern soll für einen stets ausreichenden Füllstand gesorgt werden. Dazu sind in jedem Behälter zwei Sensoren installiert und zwar jeweils für die Vollmeldung (S3 und S 4) und für die Meldung des halben Füllstandes (S1 bzw. S 2). Die Behälter werden in Abhängigkeit vom jeweiligen Füllstand durch drei Pumpen P 1, P und P nachgefüllt. 2 3 Meldet kein Signalgeber oder nur ein Geber eine halbe Füllung, so sollen alle drei Pumpen nachfüllen. Melden zwei Signalgeber, so sollen zwei Pumpen die Füllung übernehmen. Wenn drei Signalgeber Füllung anzeigen, genügt es, wenn nur eine Pumpe die Füllung übernimmt. Melden alle vier Sensoren, so sind die Behälter gefüllt und alle Pumpen bleiben ausgeschaltet. Um die Pumpen gleichmäßiger auszulasten, sollen sie dabei so angesteuert werden, dass der Behälter 1 überwiegend durch die Pumpe 1 und der Behälter 2 vorrangig durch die Pumpe 2 nachgefüllt wird, Tritt ein Fehler auf, der von widersprüchlichen Meldungen der Signalgeber herrührt, so soll dies durch eine Meldelampe angezeigt werden aber keine Pumpe laufen. Entwickeln Sie ein Step 7 - Programm für die Ansteuerung der drei Pumpen und der Fehlermeldung. 2

44 2. Übung In dem dargestellten Rührkesselreaktor soll ein Feststoff gelöst werden. Dazu soll nach dem Einschalten der Starttaste S1 das Lösungsmittel über Ventil Y1 bis zur oberen Füllstandsmarke Q max vorgelegt werden. Danach soll das Rührwerk in Betrieb genommen werden. 10 s nach dem Einschalten des Rührwerkes soll über das Förderband 30 s lang unter ständigem Rühren der Feststoff zudosiert werden. Die darauffolgende Rührphase kann entweder von Hand durch den Taster S2 abgebrochen werden, oder sie wird spätestens nach 10 min automatisch beendet. Danach soll die Lösung aus dem Behälter wieder entleert werden, wobei das Rührwerk bis zur Unterschreitung der Füllstandsmarke Q weiter eingeschaltet bleiben soll. Entwickeln Sie eine Ablaufkette zur Beschreibung dieses Lösungsprozesses und ein Steuerprogramm in Step 7 in Gestalt eines Funktionsplanes, das diesen Prozessablauf realisiert Verwenden Sie dabei folgende Variablenzuordnung: Eingänge: Starttaste S1, gedrückt E 0.1 = 1 Taste Leeren, S2 gedrückt E 0.2 = 1 Füllstand über Sensor Qmin E 0.3 = 1 Füllstand über Sensor Q E 0.4 = 1 Ausgänge: Anzeige: Anlage in Betrieb A 3.0 = 1 Zulaufventil Y1 für Lösungsmittel, geöffnet A 3.1 = 1 Ablaufventil Y2 für Lösung, geöffnet A 3.2 = 1 Motor für Förderband, eingeschaltet A 3.3 = 1 Motor für Rührwerk, eingeschaltet A 3.4 = 1 max min 3

45 Hausaufgabe zur 2. Übung Für den dargestellten Getränkeautomaten, bei dem zwischen drei Getränken ausgewählt werden kann, soll eine Steuerung entwickelt werden, die den folgenden Funktionsablauf realisiert: Nach dem Einwurf des Geldes kann das gewünschte Getränk über die Tasten S1, S2 bzw. S3 ausgewählt werden. Der Erhalt des Geldes wird durch eine Lampe angezeigt. Das ausgewählte Getränk soll durch die jeweilige Lampe neben dem Wahltaster angezeigt werden. Ist ein Getränk ausgewählt worden, wird ein Becher bereitgestellt. Sobald der Becher die Abfüllposition erreicht hat (S4 = 1), wird das Magnetventil für das gewünschte Getränk 10 s lang geöffnet. Danach ist die Abfüllung beendet und der Becher kann entnommen werden. Entwickeln Sie einen Ablaufgraphen und ein Step 7 - Programm, das den beschriebenen Funktionsablauf realisiert und verwenden Sie dabei folgende Variablen: Eingänge: Geld eingeworfen S 0 E 0.0 = 1 Getränk 1 wählen S 1 E 0.1 = 1 Getränk 2 wählen S 2 E 0.2 = 1 Getränk 3 wählen S 3 E 0.3 = 1 Becher in Abfüllposition S 4 E 0.4 = 1 Ausgänge: Anzeige Geld eingeworfen A 3.0 = 1 Anzeige Getränk 1 gewählt A 3.1 = 1 Anzeige Getränk 2 gewählt A 3.2 = 1 Anzeige Getränk 3 gewählt A 3.3 = 1 Magnetventil Getränk 1 öffnen A 3.4 = 1 Magnetventil Getränk 2 öffnen A 3.5 = 1 Magnetventil Getränk 3 öffnen A 3.6 = 1 Bechervorschub A 3.7 = 1 4