Neue Herausforderungen in der Steuerungstechnik und ihre Konsequenzen für die Praxis und Lehre

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1 Prof. Dr.-Ing. Matthias Seitz Institut für Automatisierungssysteme, Fakultät für Elektrotechnik Neue Herausforderungen in der Steuerungstechnik und ihre Konsequenzen für die Praxis und Lehre 1. Problemstellung 2. Wandel der Steuerungstechnik 3. Theoretische Grundlagen 4. Vorschlag für die Praxis 5. Schlussfolgerungen

2 1. Problemstellung Schwierigkeit beim Steuern einer Anlage: KOMPLEXITÄT Engineering Strukturierung der Software Änderungsmanagement einzelne Steuerkreise sind meist nicht kompliziert Problem: Koordination der Steuerkreise aus: [Langmann 2004] Prof. Dr. M. Seitz 2

3 2. Wandel der Steuerungstechnik Fähigkeiten moderner Steuerungen Programmable Automation Controllers CNC, SPS, RC und IBV wachsen unter dem Dach der IEC zusammen IEC FBD ST AS IL KOP Bibliotheken Entwurf Logik Motion Safety XML Visualisierung Implementierung viele Maschinen, die angesteuert und koordiniert werden müssen Antrieb PC SPS Regler Plattformen aus: [Seitz 2006] Prof. Dr. M. Seitz 3

4 Entwicklung der Anwendersoftware Weiterentwicklung der IEC [PLCopen] Standardisierung von Motor-/Achsansteuerungen Entwicklung von Funktionsbausteinen für typische Anwendungen, wie Fliegende Säge [Beckhoff], Handhabung [Elau], Werkzeugmaschinen [3S], Wickelprozesse [Siemens], Sicherheitstechnik [PLCopen] Wie kann der Software-Entwurf systematisiert, zuverlässiger und effizienter gestaltet werden??? Prof. Dr. M. Seitz 4

5 3. Theoretische Grundlagen traditionelle Verfahren der Steuerungstheorie: KV-Diagramm, Automatenentwurf [Fasol 1988], Petri-Netze [Abel 1990] Übertragung von Modellen aus der Regelungstechnik auf die Steuerungstechnik: Steuerkreis, Steuerbarkeit Petri-Netzentwurf [Lunze 2003, 2007] Zustandsgleichungen Automatenentwurf, hybride Systeme [Litz 2005] Es fehlen: Entwurfsverfahren mit Einbindung in den Engineeringprozess Programmumsetzung nach IEC Leitfaden, welches Verfahren eignet sich für welche Aufgaben Prof. Dr. M. Seitz 5

6 4. Vorschlag für die Praxis 4.1 Dekomposition der Aufgabe Steuerkreis: Stell_Links, Stell_Rechts Start STEUERSTRECKE Soll_X, Soll_Y STEUERGERÄT (z.b. PC oder SPS) Stell_Links, Stell_Rechts Sensor_X Sensor_Y End_X End_Y Klassifizierung der Feldgeräte Baustein Datentyp Variable Programm => SW-Struktur: Feldgerätetypen TYP_MOT2 TYP_SENS Motor2daten Sensordaten EX GX EU_X GIS_X Feldgeräte (Klassen) TYP_MOT2 TYP_SENS Motor2daten Sensordaten EY GY EU_Y GIS_Y (Instanzen) Prof. Dr. M. Seitz 6

7 4.2 Automatenentwurf für CFCs 3 Schritte: 1.) Gantt-Diagramm Beispiel: Aufzug eines Hochregallagers SOLL<IST t SOLL>IST t GS_REF START LINKS RECHTS t t t t z0 z1 z0 z2 z0 z1/z2 2.) Zustandsgraf 3.) Funktionsplan gemäß Moore-Automat SOLL>IST z2 1 0 z SOLL=IST GS_REF V SOLL=IST START V SOLL<IST z1 0 1 z(k+1)=e{x(k),z(k)} z(k)=h{z(k+1)} y(k)=a{z(k)} Prof. Dr. M. Seitz 7

8 4.3 Superposition von Zustandstrajektorien für SFCs Zustandstrajektorien EU_X AUS RECHTS LINKS EU_Y AUS RUNTER HOCH EU_Z AUS REIN RAUS SFC als Petri-Netz z0 z1 z2 z0 z1 z2 z0 z1 z2 Prof. Dr. M. Seitz 8

9 4.4 Koordination paralleler Abläufe Fertigungszelle Warten Warten vom Band greifen auf Band ablegen Einlagern Auslagern z(k+1) = z(k) + N t(k) mit: N = t1 t2 t3 t4 t5 t z z z z z z6 Prof. Dr. M. Seitz 9

10 Steuerungsentwurf mit Petri-Netzen [Lunze 2003] Randbedingungen: z3(k) + z6(k) < 1 z2(k) + z5(k) < 1 Matrix-Darstellung: z z2 1 L z3 < 1 z4 z5 z6 Warten vom Band greifen Einlagern Steuerungsgesetz: N S = - L N = Koordinationszustände: Roboter verfügbar: Lager verfügbar: z7(k+1) = z7(k) z8(k+1) = z8(k) Warten vom Band Einlagern t1(k) +t2(k) t4(k) +t5(k) t2(k) +t3(k) t5(k) +t6(k) Warten auf Band ablegen Warten auf Band ablegen Auslagern Auslagern mit: z S (k+1) = z S (k) + N S t(k) Prof. Dr. M. Seitz 10

11 Steuerungsentwurf mit Petri-Netzen Umsetzung der Abläufe in der SPS Prof. Dr. M. Seitz 11

12 Steuerungsentwurf mit Petri-Netzen Umsetzung des Koordinationsprogramms in der SPS z7(k+1)=z7(k) t1(k)+t2(k) t4(k)+t5(k) z8(k+1)=z8(k) t2(k)+t3(k) t5(k)+t6(k) Prof. Dr. M. Seitz 12

13 5. Schlussfolgerungen 5.1 Zusammenfassung Neue Herausforderungen: Generalisierte Steuerungen (SPS/CNC kombiniert, PAC) komlexere Prozesse Planungs- & Koordinationsbedarf Leitfaden: Entwicklung der CFCs: Steuerkreis, Klassifizierung der Feldgeräte, Gantt-Diagramm, Zustandsgraf, Moore-Automat Entwicklung der SFCs: Zustandstrajektorien, Petri-Netz -Entwurf mit Randbedingungen Funktionspläne in FBS Ablaufpläne in AS Prof. Dr. M. Seitz 13

14 5.2 Vorteile der Entwurfsmethodik Eindeutiges Vorgehen Programmentwicklung schneller (kein Trial-and-Error) Möglichkeit zur Simulation Erkennen von Verklemmungen, hier in Z2 und Z5 Warten Warten White-Box-Test vom Band greifen Auslagern Einlagern auf Band ablegen Prof. Dr. M. Seitz 14

15 Vorteile der Entwurfsmethodik Entwurfsdokumente dienen als Testprotokolle Testdurchführung: Aktivierung der jeweiligen Transitionssignale Akzeptanzkriterium: Überprüfung der erreichten Zustände mit den zugehörigen Ausgangssignalen Testergebnis: Abhaken der korrekten Zustände mit den zugehörigen Ausgangssignalen GS GS T120.Q z 0 - z 4 EU2 z 3 EU2 GS T10.Q z 2 EU1, EU2 EIN EIN EIN z 1 EU1 T30.Q Prof. Dr. M. Seitz 15

16 Vorteile der Entwurfsmethodik Good Automated Manufacturing Practice (GAMP) Prozessbeschreibung (Aufgabenstellung) Funktionsqualifizierung Produktionsqualifizierung Lastenheft (Anforderungen an die Steuerung) Pflichtenheft (Entwurf der Steuerung) Black-Box-Test White-Box- Test Installationsqualifizierung Programmierung / Installation der Hard- und Software Prof. Dr. M. Seitz 16

17 5.3 Ausblick vollständig überarbeitete und erweiterte 2. Auflage: Speicherprogrammierbare Steuerungen Hanser Fachbuch Vlg. Leipzig Ende 2007 erweitert um: - Entwurfssystematik (insbesondere Petri-Netze) - Bewegungssteuerungen (MotionControl-Systeme) Prof. Dr. M. Seitz 17

18 Literatur Abel, D.: Petri-Netze für Ingenieure, Springer Vlg., Fasol, K.: Binäre Steuerungstechnik, Springer Vlg., Friedrich, A. und Friedrich, M.: Strukturierte Programmierung von Ablauf- und Zeitplansteuerungen, expert Vlg., 2006 Litz, L.: Grundlagen der Automatisierungstechnik, Oldenbourg Vlg., Lunze, J.: Automatisierungstechnik, Oldenbourg Vlg., Lunze, J.: Ereignisdiskrete Systeme, Oldenbourg Vlg., Pickhardt, R.: Grundlagen und Anwendungen der Steuerungstechnik, Vieweg Vlg., Seitz, M.: Speicherprogrammierbare Steuerungen, Hanser Fachbuch Vlg. Leipzig, Seitz, M.: Software ohne Grenzen Trends und Chancen in der elektronischen Steuerungstechnik, A&D-Kompendium 2006/2007, publish-industry Verlag. Uhlig, R.: SPS-Modellbasierter Steuerungsentwurf für die Praxis. Modellierungsmethoden aus der Informatik in der Automatisierungstechnik, Oldenbourg Vlg., Prof. Dr. M. Seitz 18