Applikationen & Tools. Sichere Positions-, Stillstands- und Richtungserfassung sowie Überwachung. (SLS) auf Basis von Distributed Safety

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1 Deckblatt Sichere Positions-, Stillstands- und Richtungserfassung sowie Überwachung auf sichere Geschwindigkeit (SLS) auf Basis von Distributed Safety Distributed Safety Applikationsbeschreibung Juli 2011 Applikationen & Tools Answers for industry.

2 Industry Automation und Drives Technologies Service & Support Portal Dieser Beitrag stammt aus dem Internet Serviceportal der Siemens AG, Industry Automation und Drives Technologies. Durch den folgenden Link gelangen Sie direkt zur Downloadseite dieses Dokuments. Bei Fragen zu diesem Beitrag wenden Sie sich bitte über folgende -Adresse an uns: 2 V 1.0, Beitrags-ID:

3 s Aufgabenstellung 1 Lösung 2 Programmstruktur 3 SIMATIC F-Positionsgeber 4 Realisierung der Funktionalitäten 5 Erforderliche Komponenten 6 Installation 7 Bedienung der Applikation 8 Normenbetrachtung 9 Historie 10 V 1.0, Beitrags-ID:

4 Gewährleistung und Haftung Gewährleistung und Haftung Hinweis Die Applikationsbeispiele sind unverbindlich und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit hinsichtlich Konfiguration und Ausstattung sowie jeglicher Eventualitäten. Die Applikationsbeispiele stellen keine kundenspezifischen Lösungen dar, sondern sollen lediglich Hilfestellung bei typischen Aufgabenstellungen bieten. Sie sind für den sachgemäßen Betrieb der beschriebenen Produkte selbst verantwortlich. Diese Applikationsbeispiele entheben Sie nicht der Verpflichtung zu sicherem Umgang bei Anwendung, Installation, Betrieb und Wartung. Durch Nutzung dieser Applikationsbeispiele erkennen Sie an, dass wir über die beschriebene Haftungsregelung hinaus nicht für etwaige Schäden haftbar gemacht werden können. Wir behalten uns das Recht vor, Änderungen an diesen Applikationsbeispielen jederzeit ohne Ankündigung durchzuführen. Bei Abweichungen zwischen den Vorschlägen in diesem Applikationsbeispiel und anderen Siemens Publikationen, wie z. B. Katalogen, hat der Inhalt der anderen Dokumentation Vorrang. Für die in diesem Dokument enthaltenen Informationen übernehmen wir keine Gewähr. Unsere Haftung, gleich aus welchem Rechtsgrund, für durch die Verwendung der in diesem Applikationsbeispiel beschriebenen Beispiele, Hinweise, Programme, Projektierungs- und Leistungsdaten usw. verursachte Schäden ist ausgeschlossen, soweit nicht z. B. nach dem Produkthaftungsgesetz in Fällen des Vorsatzes, der groben Fahrlässigkeit, wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit, wegen einer Übernahme der Garantie für die Beschaffenheit einer Sache, wegen des arglistigen Verschweigens eines Mangels oder wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten zwingend gehaftet wird. Der Schadensersatz wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten ist jedoch auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht Vorsatz oder grobe Fahrlässigkeit vorliegt oder wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit zwingend gehaftet wird. Eine Änderung der Beweislast zu Ihrem Nachteil ist hiermit nicht verbunden. Weitergabe oder Vervielfältigung dieser Applikationsbeispiele oder Auszüge daraus sind nicht gestattet, soweit nicht ausdrücklich von Siemens Industry Sector zugestanden.! WARNUNG Vor dem Einsatz dieses Applikationsbeispiels lesen Sie bitte im Kapitel 8 Bedienung der Applikation den dort aufgeführten Warnhinweis. 4 V 1.0, Beitrags-ID:

5 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Gewährleistung und Haftung Aufgabenstellung Lösung Programmstruktur F-Positionsgeber Realisierung der Funktionalitäten Sichere Stillstandserfassung Sichere Geschwindigkeit (SLS) Sichere Positionserfassung Bausteinbeschreibung Modulo-Betrachtung Sichere Richtungserfassung Erforderliche Komponenten Installation Bedienung der Applikation Normenbetrachtung Historie V 1.0, Beitrags-ID:

6 1 Aufgabenstellung 1 Aufgabenstellung Einleitung Für eine Vielzahl industrieller Anwendungen kommt es auf das exakte Erfassen einer Position an. Positionserfassung geht aber immer einher mit Bewegungen von z. B. Kränen, Robotern oder ganz allgemein von Maschinenteilen. Dadurch kann es in vielen Fällen zu Gefährdungen kommen. Gefährdungen können aber auch entstehen, wenn eine gewünschte Position nicht oder eine verbotene Position erreicht wird. Um diese Gefährdungen zu vermeiden, müssen die Positionswerte sicher sein. Dies gilt sowohl für Positionserfassung als auch für die nachfolgende Positionsverarbeitung. Daraus leitet sich die Frage ab, wie eine Positionserfassung unter sicherheitsgerichteten Gesichtspunkten realisiert werden kann. 2 Lösung Möglichkeiten der sicheren Positionserfassung Für die sichere Erfassung einer Position bietet SIEMENS Antriebe mit integrierten Sicherheitsfunktionen (z. B. SINAMICS G120) für unterschiedlichste Anwendungen an. Eine weitere Möglichkeit bietet der Einsatz von sicheren Positionsgebern (im Weiteren als F-Positionsgeber bezeichnet). Im Zusammenspiel mit einer SIMATIC F-CPU können diese sicher erfassten Werte weiter verarbeitet und entsprechende Reaktionen veranlasst werden. Dieses Safety-Funktionsbeispiel beschreibt den Einsatz eines solchen Gebers. Bild zur Automatisierungslösung DP-Master F-CPU DP-Slave F-Positionsgeber DP F-CPU und F-Positionsgeber kommunizieren über PROFIBUS DP miteinander. Die sicherheitsrelevanten Daten werden über das Busprofil PROFIsafe, über die gleiche Busleitung wie die Standarddaten, ausgetauscht. 6 V 1.0, Beitrags-ID:

7 2 Lösung Was sind die Inhalte dieses Funktionsbeispiel? Das Funktionsbeispiel zeigt Ihnen auf, wie Sie einen F-Positionsgeber auf einfache Weise am PROFIBUS einbinden können. Mit der F-CPU können Sie dann eine Reihe sicherheitsrelevanter Themen realisieren. In diesem Beispiel werden folgende Themen vorgestellt: Sichere Stillstandserfassung Überwachung auf sichere Geschwindigkeit (SLS) Sichere Positionserfassung Sichere Richtungserfassung Diese Themen können realisiert werden, da viele der auf dem Markt befindlichen F-Positionsgeber, neben der sicheren Position, auch eine sichere Geschwindigkeit ausgeben. Jedes dieser vier Themen ist im beigefügten STEP 7-Projekt innerhalb eines eigenen Bausteins (F-FB) realisiert. Diese Modularität erlaubt es Ihnen, einzelne hier vorbereitete Bausteine in Ihr individuelles STEP 7-Projet zu integrieren und an Ihre Automatisierungsaufgabe anzupassen. Der Schwerpunkt dieses Funktionsbeispiels liegt somit auf der schnellen Integration eines F-Gebers (über PROFIBUS) in ein STEP 7-Projekt mit vorbereiteten F-Bausteinen. Damit besitzt das Funktionsbeispiel einen universellen Charakter. Fehlerzustände werden von den vorbereiteten F-Bausteinen zwar erfasst, die Fehlerbehandlung ist jedoch nicht Schwerpunkt dieses Funktionsbeispiels, d. h. die an den F-Bausteinen angezeigten Fehlerzustände müssen Sie weiter verarbeiten, um z. B. ein sicheres Abschalten von Aktoren zu realisieren. Was sind die Vorteile dieses Funktionsbeispiel? Das vorliegende Funktionsbeispiel bietet Ihnen folgende Vorteile: Einfache Integration eines Fremdproduktes (F-Positionsgebers) an eine SIMATIC F-CPU Lösungsmöglichkeit unterhalb des Einsatzes komplexerer Systeme wie z. B. SINAMICS Die sicherheitsrelevanten Daten werden über den bereits vorhandenen Standardbus übertragen. Das ermöglicht hohe Einsparungen bei Installation und Engineering. V 1.0, Beitrags-ID:

8 3 Programmstruktur 3 Programmstruktur Bild Standard-Anwenderprogramm F-Programm OB1 FC 1 F-CALL F-PB (FB 1) MAIN FB15 SSTILL Sichere Stillstandserfassung OB35 FB16 SLS Überwachung auf sichere Geschwindigkeit (SLS) FB17 F_POSITION Sichere Positionserfassung Beschreibung Reintegration FB18 DIR Sichere Richtungserfassung Jede der oben genannten Funktionalitäten wird modular in einem eigenen fehlersicheren FB (FB 15-FB 18) realisiert. Diese Funktionsbausteine werden vom F-Programmbaustein FB F_MAIN (FB 1) aufgerufen. Im FB F_MAIN (FB 1) ist ebenfalls die Reintegration des Gebers vorbereitet. Die Reintegration wird durch die Variable ACK realisiert. Hinweis Eine Quittierung nach einem Fehler bzw. eine Reintegration nach einer Passivierung wird über ein und dasselbe Signal (ACK) realisiert (positive Flanke). Hinweis Nach dem ersten Einschalten kann sich der F-Positionsgeber in Passivierung befinden (kein Austausch von Prozessdaten). Reintegrieren Sie den F- Positionsgeber mit ACK=1. Ein Standard-Anwenderprogramm ist nicht vorbereitet. Lediglich der Weckalarm- OB (OB 35) ruft in gewohnter Weise die F-Ablaufgruppe (F-CALL) auf. 8 V 1.0, Beitrags-ID:

9 4 F-Positionsgeber 4 F-Positionsgeber Allgemeine Eigenschaften Für dieses Funktionsbeispiel setzen wir einen Absolutwertgeber mit DP- Schnittstelle ein. Der Geberhersteller muss für die Anbindung an PROFIBUS die Geräte-Stamm-Daten-Datei (GSD) zur Verfügung stellen. Grundsätzlich können auch Inkrementalgeber eingesetzt werden. In diesem Fall ist aber für die Positionserfassung der Geber nach dem Einschalten auf die entsprechende Position zu Referenzieren. Da der Geber für sicherheitsrelevante Anwendungen eingesetzt werden soll, muss dieser nach IEC 62061, ISO und/oder IEC zertifiziert sein. Die von der F-CPU auszuwertenden sicherheitsgerichteten Daten des F-Positionsgebers dürfen maximal eine Länge von 16 Bit besitzen. Im STEP 7-Projekt verwendeter Geber In dem beigefügten STEP 7-Projekt wird ein F-Positionsgeber der Fa. TR-Electronic (nachfolgend TR-Geber ) eingesetzt. Im F-Programm werden folgende Informationen des F-Positionsgebers sicher ausgewertet: Position Geschwindigkeit Die Position wird dabei dargestellt durch Anzahl der Umdrehungen Winkel Anzahl der Umdrehungen (Multi-Turn) Der Positionswert wird mit jeder ganzen Umdrehung um 1 hochgezählt bzw. bei einer ganzen Umdrehung in Gegenrichtung um 1 runtergezählt. Dabei wird ein Wertebereich von 0 bis maximal durchlaufen. Nach springt der Zählwert nach einer weiteren positiven Umdrehung auf 0; negative Werte werden, unabhängig von der Drehrichtung, nicht ausgegeben. Der Wertebereich wird im F-Programm im Datenformat INTEGER bearbeitet. Dieser Wertebereich kann durch den Winkel noch feiner unterteilt werden. Winkel (Single-Turn) Mit jeder Umdrehung wird ein Bereich von 0 bis 360 Grad durchlaufen. Damit wird der Wert für die Anzahl der Umdrehungen nochmals unterteilt. Der Wertebereich einer Umdrehung von 0 bis 360 Grad, wird vom Geber durch einen Zahlenwert von 0 bis 8191 abgebildet; negative Werte werden, unabhängig von der Drehrichtung, nicht ausgegeben. Der Wertebereich wird im F-Programm im Datenformat INTEGER bearbeitet. Sicherer Geschwindigkeitswert Der erlaubte Wertebereich umfasst Werte von bis und berücksichtigt somit das Vorzeichen. Wird der erlaubte Wertebereich überschritten, wird dies durch Setzen eines Bits sicher erfasst. Der Wertebereich wird im F-Programm im Datenformat INTEGER bearbeitet. V 1.0, Beitrags-ID:

10 4 F-Positionsgeber Adresszuordnung zwischen F-CPU und TR-Geber Nach Einbindung des TR-Gebers in HW Konfig liegt der (veränderbare) Adressbereich fest. Die Adresszuordnung können Sie dem nachfolgenden Bild entnehmen. Angaben Geber-Hersteller Adressvergabe in HW Konfig Byte X+0 X+1 X+2 X+3 X+4 X+5 X+6 X+7 X+8 X+9 X+10 X+11 X+12 X+13 Bit Eingangsdaten Nockendaten TR-Status Geschwindigkeit Istwert (Multi-Turn) Istwert (Single-Turn) Safe Status CRC2 Datentyp WORD WORD INTEGER INTEGER INTEGER BYTE 3 BYTES In diesem Beispiel beginnen die Adressen mit 7 (siehe E-Adresse in HW Konfig). Dann gilt für die Tabelle Angaben Geber-Hersteller : X=7 Wollen Sie also beispielsweise die Geschwindigkeit sicher auslesen, laden Sie im F-Programm die Adresse EW 11 (wegen X+4=11). Aus den im Bild gezeigten Angaben des Herstellers werden in diesem STEP 7- Projekt folgende Eingangsdaten verarbeitet: Geschwindigkeit Istwert der Anzahl ganzer Umdrehungen (Multi-Turn) Istwert des Winkels (Single-Turn) Der TR-Geber liefert ein sicheres Bit, dass bei unzulässig großer Geschwindigkeit gesetzt wird. Dieses Bit (OV_VELO) wird im F-Programm ebenfalls verarbeitet. Auf die Geberwerte wird über das Prozessabbild der Eingänge (PAE) zugegriffen. 10 V 1.0, Beitrags-ID:

11 5 Realisierung der Funktionalitäten 5 Realisierung der Funktionalitäten Was steht hier? In diesem Kapitel werden die vier realisierten Funktionalitäten des Funktionsbeispiels näher erläutert: Sichere Stillstandserfassung (Kap. 5.1) Sichere Geschwindigkeit (SLS) (Kap. 5.2) Sichere Positionserfassung (Kap. 5.3) Sichere Richtungserfassung (Kap. 5.4) Quittierung und Reintegration Für eine Quittierung nach einem Fehlerfall wird das gleiche Signal (ACK) wie bei einer Reintegration nach einer Passivierung verwendet. 5.1 Sichere Stillstandserfassung Was leistet der Baustein? Eine sichere Stillstandserfassung wird beispielsweise benötigt, um eine Schutztür erst nach Stillstand einer gefahrbringenden Maschine freizugeben. Der Baustein gibt Ihnen die Information, dass der am F-Positionsgeber angeschlossene Antrieb sicher steht. Dazu wird die aktuelle Geschwindigkeit, die sicher vom Geber zur Verfügung gestellt wird, mit null (Stillstand) verglichen. Da der Geber im Stillstand immer noch von null verschiedene Werte ausgeben kann (z. B. wegen dem Rauschen der Analogeingänge), können Sie einen Toleranzwert bestimmen, dessen Bereich immer noch einen Stillstand definiert. Der Baustein erkennt einen Fehler (ERR_STILL=1), falls nach Anforderung des sicheren Stillstands und Ablauf einer Toleranzzeit, der Betrag der aktuellen Geschwindigkeit über den Stillstand definierenden Toleranzwert liegt. Die Fehlerreaktionen, wie z. B. das sichere Abschalten der Aktoren, sind vom Anwender zu realisieren. Parameterbeschreibung des FB SSTILL (FB 15) FB SSTILL (FB 15) Eingangsparameter Datentyp Beschreibung VELO_ACT INTEGER Aktuelle Geschwindigkeit des Gebers. VELO_TOL INTEGER Toleranzwert (Stillstandsdefinierender Wertebereich) OV_VELO BOOL 1: Geschwindigkeitswert liegt außerhalb des zulässigen Wertebereichs. Wird automatisch vom Geber gesetzt. REQ_SSTILL BOOL 1: Anforderung sicherer Stillstand T_TOL TIME Zeit startet bei REQ_SSTILL=1. Nach Ablauf der Zeit muss VELO_ACT < VELO_TOL sein (gilt für die Beträge), andernfalls wird das Fehlerbit ERR_SSTILL gesetzt. ACK BOOL 1: Fehlerquittierung bzw. Reintegration Ausgangsparameter Datentyp Beschreibung SSTILL BOOL 1: Sicherer Stillstand erreicht ERR_SSTILL BOOL Fehlerbit, 1: Fehler V 1.0, Beitrags-ID:

12 5 Realisierung der Funktionalitäten Beschreibung der Realisierung des FB SSTILL (FB 15) Die aktuelle sichere Geschwindigkeit des Gebers VELO_ACT ist vorzeichenbehaftet. Den einen Stillstand definierende Toleranzwert VELO_TOL können Sie auch vorzeichenbehaftet angeben. Für die Fehlererfassung sind jedoch ausschließlich die Beträge von VELO_ACT und VELO_TOL relevant. Wird ein sicherer Stillstand angefordert (REQ_SSTILL = 1) beginnt die Toleranzzeit T_TOL abzulaufen. Nach Ablauf von T_TOL muss gelten: IVELO_ACTI IVELO_TOLI. Hinweis Q wird gesetzt, falls REQ_SSTILL = 1 und die Zeit T_TOL abgelaufen ist. Der FB F_TON ist ein Baustein aus der Bibliothek von Distributed Safety. Falls Sie in einem separaten STEP 7-Projekt den FB SSTILL (FB 15) verwenden, müssen Sie den FB F_TON auch in Ihr separates STEP 7-Projekt (SIMATIC Manager) einfügen. 12 V 1.0, Beitrags-ID:

13 5 Realisierung der Funktionalitäten Der Kern des FB SSTILL (FB 15) bildet die Stillstands- und Fehlererfassung in Netzwerk 6: Die jeweils ersten beiden Vergleicher (CMP) an den vier UND-Bausteinen werten das Vorzeichen der aktuellen Geschwindigkeit (VELO_ACT) und des Toleranzwertes (VELO_TOL) aus. Der jeweils dritte Vergleicher an den vier UND-Bausteinen vergleicht (je nach Vorzeichen) VELO_ACT mit VELO_TOL. Ist die Bedingung an allen UND-Bausteinen nicht erfüllt, liegt sicherer Stillstand vor (SSTILL=1). Ist die Bedingung an einem UND-Baustein erfüllt und ist die Toleranzzeit abgelaufen (Q=1), wird das Fehlerbit gesetzt (ERR_SSTILL=1). Der Fehler kann mit ACK=1 quittiert werden. OV_VELO Überlaufbit vom Geber OV1..Prüfung Überlauf nach Rechenoperation (Netzwerk 3) OV2.. Prüfung Überlauf nach Rechenoperation (Netzwerk 5) Mit Endung 2K versehene Variablen bezeichnen das Zweierkomplement. Dieses wird für die Vorzeichenauswertung von VELO_ACT und VELO_TOL benötigt. Erläuterung zu VELO_ACT_2K und VELO_TOL_2K Da VELO_ACT vorzeichenbehaftet und VELO_TOL ebenfalls mit negativen Vorzeichen angegeben werden kann, kann es zwischen beiden Größen bzgl. des Vorzeichens zu unterschiedlichen Kombinationen kommen (z. B. VELO_ACT>0 und VELO_TOL<0). Um negative Vorzeichen zu berücksichtigen wurde für VELO_ACT und VELO_TOL das Zweierkomplement gebildet und in die Variablen VELO_ACT_2K und VELO_TOL_2K abgelegt. Damit lassen sich die Vergleichsoperationen (siehe CMP-Bausteine im obigen Bild) so durchführen, dass letztlich die Beträge von VELO_ACT und VELO_TOL miteinander verglichen werden. V 1.0, Beitrags-ID:

14 5 Realisierung der Funktionalitäten 5.2 Sichere Geschwindigkeit (SLS) Was leistet der Baustein? Eine sichere Geschwindigkeit (SLS: Safely Limited Speed) wird beispielsweise benötigt, um den Zutritt in einem ansonsten gefährlichen Bereich, z. B. aufgrund von Wartungsarbeiten, zu gestatten. Mit dem FB SLS (FB 16) können Sie eine Überwachung auf sichere Geschwindigkeit (SLS) (über REQ_SLS) anfordern. Der Betrag der aktuellen Geschwindigkeit, die sicher vom Geber zur Verfügung gestellt wird, muss dann nach Ablauf einer parametrierbaren Toleranzzeit T_TOL kleiner als die parametrierte sichere Geschwindigkeit (SLS_SETPOINT) sein. Falls dies nicht der Fall ist, wird dies als Fehler erkannt. Die sich dann anschließenden Fehlerreaktionen, wie z. B. das sichere Abschalten der Aktoren, sind vom Anwender zu realisieren. Parameterbeschreibung FB SLS (FB 16) Eingangsparameter Datentyp Beschreibung REQ_SLS BOOL 1: Anforderung SLS VELO_ACT INTEGER Aktuelle sichere Geschwindigkeit des Gebers. SLS_SETPOINT INTEGER Grenzwert für SLS T_TOL TIME Zeit startet bei REQ_SLS=1. Nach Ablauf der Zeit muss IVELO_ACTI < ISLS_SETPOINTI sein, andernfalls wird das Fehlerbit ERR_SLS gesetzt. OV_VELO BOOL 1: Geschwindigkeitswert liegt außerhalb des zulässigen Wertebereichs. Wird automatisch vom Geber gesetzt. ACK BOOL 1: Fehlerquittierung bzw. Reintegration Ausgangsparameter Datentyp Beschreibung ERR_SLS BOOL Fehlerbit 1: Fehler SLS BOOL 1: Bedingung IVELO_ACTI < ISLS_SETPOINTI ist bei REQ_SLS=1 eingehalten und es liegt kein Fehler an. 14 V 1.0, Beitrags-ID:

15 5 Realisierung der Funktionalitäten Beschreibung der Realisierung Die aktuelle sichere Geschwindigkeit des Gebers VELO_ACT ist vorzeichenbehaftet. Den Sollwert SLS_SETPOINT, der für eine sichere Geschwindigkeit nicht überschritten werden darf, können Sie ebenfalls vorzeichenbehaftet angeben. Für die Fehlererfassung sind jedoch ausschließlich die Beträge von VELO_ACT und SLS_SETPOINT relevant. Wird sichere Geschwindigkeit angefordert (REQ_SLS = 1) beginnt die Toleranzzeit T_TOL abzulaufen. Nach Ablauf von T_TOL muss gelten: IVELO_ACTI ISLS_SETPOINTI. Hinweis Q wird gesetzt, falls REQ_SLS = 1 und die Zeit T_TOL abgelaufen ist. Der FB F_TON ist ein Baustein aus der Bibliothek von Distributed Safety. Falls Sie in einem separaten STEP 7-Projekt den FB SLS (FB 16) verwenden, müssen Sie den FB F_TON auch in Ihr separates STEP 7-Projekt (SIMATIC Manager) einfügen. V 1.0, Beitrags-ID:

16 5 Realisierung der Funktionalitäten Der Kern des Bausteins bildet die Überprüfung ob nach Anforderung (REQ_SLS=1) und Ablauf der Toleranzzeit T_TOL die aktuelle Geschwindigkeit VELO_ACT unter dem parametrierten Grenzwert SLS_SETPOINT liegt. Die jeweils ersten beiden Vergleicher (CMP) an den vier UND-Bausteinen werten das Vorzeichen der aktuellen Geschwindigkeit (VELO_ACT) und des Grenzwertes für sichere Geschwindigkeit SLS_SETPOINT aus. Der jeweils dritte Vergleicher an den vier UND-Bausteinen vergleicht (je nach Vorzeichen) VELO_ACT mit SLS_SETPOINT. Ist die Bedingung an einem UND-Baustein erfüllt und ist die Toleranzzeit abgelaufen (Q=1), wird das Fehlerbit gesetzt (ERR_SLS=1). Der Fehler kann mit ACK=1 quittiert werden. OV_VELO.Überlaufbit vom Geber OV1 Prüfung Überlauf nach Rechenoperation (Netzwerk 3) OV2 Prüfung Überlauf nach Rechenoperation (Netzwerk 5) 16 V 1.0, Beitrags-ID:

17 5 Realisierung der Funktionalitäten 5.3 Sichere Positionserfassung Einleitung In diesem Kapitel wird neben der Funktionalität des Bausteins (Kap ) gesondert auf die Modulo-Thematik (Kap ) eingegangen Bausteinbeschreibung Was leistet der Baustein? An diesem Baustein können Sie eine Anfangs- und Endposition für einen Gefahrenbereich anlegen. Liegt die aktuelle Position innerhalb des Gefahrenbereichs wird dies sicher erkannt. Anfangsposition Endposition Gefahrenbereich Positionswert Anfangs- und Endposition werden jeweils über Anzahl ganzer Umdrehungen (Multi-Turn) und Winkel (Single-Turn) eindeutig festgelegt: Anfangsposition Gefahrenbereich Endposition POS_SAFE_MULTI_BEGIN Positionswert POS_SAFE_SINGLE_BEGIN POS_SAFE_MULTI_END POS_SAFE_SINGLE_END Der zugehörige Baustein FB F_POSITION (FB 17) beinhaltet auch eine Stillstandserfassung. Diese wird für die eigentliche Positionserfassung nicht benötigt, jedoch wird bei der Modulo-Thematik darauf zurückgegriffen. V 1.0, Beitrags-ID:

18 5 Realisierung der Funktionalitäten Parameterbeschreibung FB F_POSITION (FB 17) Eingangsparameter Datentyp Beschreibung POS_MULTI_ACT INTEGER Aktuelle Position, angegeben in Anzahl ganzer Umdrehungen des Gebers. Dieser Wert ist vorzeichenbehaftet. POS_SINGLE_ACT INTEGER Die aktuelle Position, angegeben in Anzahl ganzer Umdrehungen des Gebers, wird ergänzt durch diesen Winkelwert (POS_SINGLE_ACT), der einen 360 -Bereich (Teilumdrehung) als Zahlenwert ausgibt. POS_SAFE_MULTI_ BEGIN INTEGER Der Beginn des Gefahrenbereichs ist durch zwei Zahlenwerte eindeutig (und sicher) definiert: Anzahl ganzer Umdrehungen Teilumdrehung (0 bis < 360 ) POS_SAFE_SINGLE _BEGIN POS_SAFE_MULTI_ END INTEGER INTEGER Dieser Eingangsparameter legt die Anzahl ganzer Umdrehungen fest. Dieser Wert ist vorzeichenbehaftet und es muss gelten: POS_SAFE_MULTI_BEGIN < POS_SAFE_MULTI_END Der Beginn des Gefahrenbereichs ist durch zwei Zahlenwerte eindeutig (und sicher) definiert: Anzahl ganzer Umdrehungen Teilumdrehung (0 bis < 360 ) Dieser Eingangsparameter legt die Teilumdrehung (0 bis < 360 ) fest. Das Ende des Gefahrenbereichs ist durch zwei Zahlenwerte eindeutig (und sicher) definiert: Anzahl ganzer Umdrehungen Teilumdrehung (0 bis < 360 ) Dieser Eingangsparameter legt die Anzahl ganzer Umdrehungen fest. Dieser Wert ist vorzeichenbehaftet und es muss gelten: POS_SAFE_MULTI_BEGIN < POS_SAFE_MULTI_END POS_SAFE_SINGLE _END INTEGER Das Ende des Gefahrenbereichs ist durch zwei Zahlenwerte eindeutig (und sicher) definiert: Anzahl ganzer Umdrehungen Teilumdrehung (0 bis < 360 ) Dieser Eingangsparameter legt die Teilumdrehung (0 bis < 360 ) fest. 18 V 1.0, Beitrags-ID:

19 5 Realisierung der Funktionalitäten FB F_POSITION (FB 17) Eingangsparameter Datentyp Beschreibung VELO_ACT INTEGER Aktuelle sichere Geschwindigkeit des Gebers zur Stillstandserfassung. Diese wird wiederum zur Modulo-Betrachtung benötigt. VELO_TOL INTEGER Toleranzwert (Stillstandsdefinierender Wertebereich) zur Stillstandserfassung. Diese wird wiederum zur Modulo-Betrachtung benötigt. OV_VELO BOOL 1: Geschwindigkeitswert liegt außerhalb des zulässigen Wertebereichs. Wird automatisch vom Geber gesetzt. ACK BOOL 1: Fehlerquittierung bzw. Reintegration Ausgangsparameter Datentyp Beschreibung DANGER_RANGE BOOL 1: Objekt im Gefahrenbereich ERR_MODULO BOOL 1: Modulo-Fehler (siehe Kap ) ERR_VELO BOOL 1: Fehler bei der Geschwindigkeitsüberwachung Beschreibung der Realisierung Es wird verglichen, ob sich die aktuelle Position im Gefahrenbereich befindet (DANGER_RANGE=1) oder nicht (DANGER_RANGE=0). Diese Information (DANGER_RANGE=1) beinhaltet noch keine sicherheitsrelevante Aktion (wie z. B. das Stillsetzen der Aktoren). Dieses muss vom Anwender realisiert werden. V 1.0, Beitrags-ID:

20 5 Realisierung der Funktionalitäten Modulo-Betrachtung Worum geht es? Der gesamte vom F-Positionsgeber erfassbare Bereich beginnt bei null: POS_SAFE_MULTI_BEGIN = 0 POS_SAFE_SINGLE_BEGIN = 0 Der gesamte vom F-Positionsgeber erfassbare Bereich endet bei: POS_SAFE_MULTI_END = POS_SAFE_SINGLE_END = 8191 POS_SAFE_MULTI_BEGIN = 0 POS_SAFE_SINGLE_BEGIN = 0 POS_SAFE_MULTI_END = POS_SAFE_SINGLE_END = 8191 Wertebereich des F-Positionsgebers Positionswert Stellen Sie sicher, dass die Positionserfassung ausschließlich in diesem definierten Bereich stattfindet und es zu keinem Zählerüberlauf (Modulo-Sprung) kommt! Für Anwendungen bei denen der definierte Wertebereich des F-Positionsgebers nicht ausreicht, muss der Modulo-Sprung (Übergang vom maximalen Zählwert nach 0 und umgekehrt) berücksichtigt werden. Die Erfassung des Modulo-Sprungs ist deshalb notwendig, da die Positionsauswertung im F-Programm im Wesentlichen auf mathematische Vergleiche (>, <, =) basiert. Ein Pendeln des Zählwertes (für die aktuelle Position) z. B. zwischen 0 und kann bei einem Vergleich (>, <, =) ggf. zu einem Ergebnis führen, das nicht der Realität entspricht und unerwünschte Reaktionen auslösen. Der Baustein FB F_POSITION (FB 17) des beigefügten STEP 7-Projekts erfasst diesen Modulo-Sprung. Nachfolgend wird beschrieben, wie dies der Baustein FB F_POSITION (FB 17) realisiert. Erläuterungen zum Modulo-Sprung Kommt es zu einem Modulo-Sprung wird im FB F_POSITION (FB 17) die Ausgangsvariable ERR_MODULO gesetzt. Reaktionen auf einen Modulo-Sprung sind vom Anwender individuell zu realisieren. Der Modulo-Sprung wird erfasst, indem der aktuelle Positionsistwert mit dem Positionsistwert des vorherigen Programmzyklus (unter Berücksichtigung der Zählrichtung) verglichen wird. Nachfolgend wird dies verdeutlicht. Hinweis Alle nachfolgenden Betrachtungen gehen von einer Vorwärtszählrichtung aus. Die daraus ableitbaren Aussagen lassen sich analog auch für eine Rückwärtszählrichtung durchführen. 20 V 1.0, Beitrags-ID:

21 5 Realisierung der Funktionalitäten Für eine Vorwärtszählrichtung muss gelten: Aktueller Positionswert > Vorheriger Positionswert Das nachfolgende Bild erfüllt diese Anforderung. Zählwert (Positionswert) max Modulo- Sprung 0 Aktueller Positionswert Vorheriger Positionswert Δt Δt Kommt es nun (bei Vorwärtszählrichtung) zu einem Modulo-Sprung gilt Aktueller Positionswert > Vorheriger Positionswert nicht mehr: t Zählwert (Positionswert) Vorheriger Positionswert Δt Aktueller Positionswert Δt t Dieser Modulo-Sprung wird vom FB F_POSITION (FB 17) durch Setzen der Ausgangsvariablen ERR_MODULO erfasst. Folgende Szenarien werden durch den FB F_POSITION (FB 17) nicht erfasst: Die Drehgeschwindigkeit ist so groß, dass ein Modulo-Sprung stattfindet und Aktueller Positionswert > Vorheriger Positionswert (bei Vorwärtszählrichtung stattfindet) gilt. Zählwert (Positionswert) Vorheriger Positionswert Aktueller Positionswert Δt Δt t V 1.0, Beitrags-ID:

22 5 Realisierung der Funktionalitäten Wie wird der Modulo-Sprung erfasst? Der Modulo-Sprung wird im F-Programm folgendermaßen erfasst: Speichern des aktuellen Positionsistwertes für den nächsten Programmzyklus Stillstandserfassung Modulo-Auswertung Nachfolgend werden diese drei Punkte erläutert. Speichern des aktuellen Positionsistwertes für den nächsten Programmzyklus Das Ziel der Netzwerke 1 bis 5 besteht in dem erstmaligen Speichern des aktuellen Positionswertes, um auf diesen im nächsten Programmzyklus zugreifen zu können. NW Bild Erläuterung 1 Die Hilfsvariable HELP_VAR sorgt dafür, dass NW1-5 nur einmal durchlaufen werden, um den aktuellen Positionswert für den nächsten Programmzyklus zu speichern. 2 Mit POS_MULTI_M wird der aktuelle Positionswert für den nächsten Programmzyklus gespeichert. 3 Ist der F-Positionsgeber betriebsbereit (QBAD=0) so das die aktuelle Position POS_MULTI_ACT (in NW2) abgespeichert worden ist, wird HELP_VAR gesetzt, damit NW2-4 nicht mehr durchlaufen werden. 4 Solange HELP_VAR noch nicht gesetzt wurde, wird der Baustein an dieser Stelle verlassen. 5 Um NW2-4 bei HELP_VAR=1 zu überspringen. Nach dem erstmaligen Abspeichern des aktuellen Positionswertes für den nächsten Programmzyklus werden die Netzwerke 2 bis 4 nicht mehr durchlaufen. Das Abspeichern des aktuellen Positionswertes für den nächsten Programmzyklus wird dann am Bausteinende durchgeführt: Stillstandserfassung Die Stillstandserfassung ist notwendig, da für die Erfassung des Modulo-Sprungs die Drehrichtung des F-Positionsgebers ausgewertet wird. Es gilt: Wird Stillstand festgestellt, wird keine Auswertung der Drehrichtung durchgeführt. Die Stillstandsauswertung geschieht analog zum FB SSTILL (FB 15). 22 V 1.0, Beitrags-ID:

23 5 Realisierung der Funktionalitäten Modulo-Auswertung Falls bei festgestellter positiver Drehrichtung (Vorwärts) die aktuelle Position kleiner als die vorhergehende Position ist, wird Modulo-Fehler gemeldet. Falls bei festgestellter negativer Drehrichtung (Rückwärts) die aktuelle Position größer als die vorhergehende Position ist, wird Modulo-Fehler gemeldet. V 1.0, Beitrags-ID:

24 5 Realisierung der Funktionalitäten 5.4 Sichere Richtungserfassung Was leistet der Baustein? Der Baustein gibt Ihnen an, in welche Richtung der Geber dreht. Parameterbeschreibung FB DIR (FB 18) Eingangsparameter Datentyp Beschreibung VELO_ACT INTEGER Aktuelle sichere Geschwindigkeit des Gebers. VELO_TOL INTEGER Toleranzwert (Stillstandsdefinierender Wertebereich) OV_VELO BOOL 1: Geschwindigkeitswert liegt außerhalb des zulässigen Wertebereichs. Wird automatisch vom Geber gesetzt. ACK BOOL 1: Fehlerquittierung bzw. Reintegration Ausgangsparameter Datentyp Beschreibung FORW BOOL 1: Geber dreht in positive Richtung BACK BOOL 1: Geber dreht in negative Richtung ERR_DIR BOOL Fehlerbit 1: Fehler (OV_VELO = 1) Beschreibung der Realisierung Da der Geber im Stillstand immer noch von null verschiedene Werte ausgeben kann (z. B. wegen dem Rauschen der Analogeingänge), kann dies in diesem Zustand zu einem Flackern der Bits FORW und BACK führen. Um dies zu vermeiden, können Sie einen Toleranzwert VELO_TOL angeben. Erst wenn ein Geschwindigkeitsbetrag größer als VELO_TOL vorhanden ist, werden die Bits FORW (positive Richtung) bzw. BACK (negative Richtung) gesetzt. Falls VELO_TOL positiv angegeben wurde Falls VELO_TOL negativ angegeben wurde Zweierkomplement von VELO_TOL Die Auswertung für die negative Drehrichtung (BACK) geschieht analog. 24 V 1.0, Beitrags-ID: