1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik

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1 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik 1.1 Wirkungsfelder der Automatisierungstechnik Die Automatisierungstechnik ist ein fachäbergreifendes Gebiet. Sie befasst sich mit der Automatisierung vielfåltiger technischer Prozesse. Wir finden Automatisierungstechnik in Fertigungstechnik Chemieanlagen Maschinenbau Fahrzeugtechnik Luft- und Raumfahrt Biologie, Gentechnik und Medizin Energiewirtschaft GebÅudetechnik Lebensmittelindustrie In all diesen Technikbereichen bestimmt Automatisierungstechnik maçgeblich den technischen Fortschritt und die ProduktivitÅt. Automatisierungstechnik wird in Teildisziplinen vorangetrieben. Wesentliche Disziplinen sind Steuerungstechnik Regelungstechnik Robotik Prozessautomatisierung Antriebstechnik Schwerpunkte mit langem historischen Hintergrund sind dabei Steuerungs- und Regelungstechnik. Steuerungen und Regelungen basieren auf grundsåtzlich unterschiedlichen Wirkungsweisen und sind deshalb jeweils gesondert zu behandeln. Im angelsåchsischen Sprachbereich steht der Oberbegriff control fär beide Bereiche. Unterschieden werden open loop control (Steuerung) und closed loop control (Regelung). Damit wird der grundsåtzliche Unterschied zwischen der offenen Wirkungskette der Steuerung und dem geschlossenen Wirkungskreis der Regelung bereits im Namen zum Ausdruck gebracht. Eng verbunden mit der Automatisierungstechnik sind weiter die speziellen Technikbereiche Messtechnik Sensortechnik Bustechnologie Informationsverarbeitung Strategien der Visualisierung, Éberwachung und Fehlerdiagnose Ein zentrales Feld der Automatisierungstechnik ist die Automatisierung von Fertigungsprozessen. Bei der hier eingesetzten Automatisierungstechnik haben sich drei Hauptrichtungen mit einigen eigenståndigen Methoden entwickelt Die SPS-Technik Die CNC-Technik Die Robotertechnik Ziel der Automatisierungstechnik ist die Konzipierung automatisch ablaufender VorgÅnge und die Entwicklung von Automaten, die vielfåltige menschliche TÅtigkeiten ersetzen. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-1

2 Voraussetzung und Vorstufe der Automatisierungstechnik war die Mechanisierung von Arbeitsprozessen. Mikroelektronik und die Entwicklung der Computertechnik ermüglichten die Digitale Revolution des 20. Jahrhunderts. Ergebnis sind Industrieroboter und automatischen Produktionsstrassen bis hin zu känstlicher Intelligenz in Form von Bild- und Spracherkennung und adaptiven und selbstlernenden Systemen. Fast alle Automatisierungsprobleme werden heute mit elektrotechnischen Methoden gelüst und dabei speziell mit elektronischen und rechnergestätzten Steuerungen und Regelungen. Demzufolge spielt Digitaltechnik eine Äberragende Rolle. Mechanische oder pneumatische LÜsungen spielen keine Rolle mehr. Bild 1-1 Durch Schranken abgesicherter Fertigungsabschnitt mit Roboter Bildquelle Wikipedia Eine Automatisierungsaufgabe ist immer auch eine Aufgabe der Informationsverarbeitung, im einzelnen der Gewinnung von Informationen Äber den zu automatisierenden Prozess in Form geeigneter Signale (binåre, digitale und analoge Signale) der SignalÄbertragung mit geeigneten Medien (Zweidraht, LWL, Funk) der Signalverarbeitung, heute Äberwiegend mit Mitteln der Rechentechnik (Computertechnik). Somit befruchten sich Automatisierungstechnik und Informationstechnik gegenseitig. Bedeutende Innovations- und WachstumsmÅrkte zeichnen sich in folgenden Teilbereichen der Automatisierungstechnik ab Sicherheit in der Automatisierungstechnik Motion Control (in SPS Technik integrierte Antriebstechnik) Vision Control (in SPS-Technik integrierte Bildverarbeitung) Ethernet TCP / IP basierte Bustechnologie Bild 1-2 Menschenleere ProduktionsstÅtten als Folge der Automatisierung Bildquelle Wikipedia Automatisierungstechnik hat eine bedeutende sozialpolitische und auch ethische Komponente Eine Vielzahl materieller GÄter wird heute in fast menschenleeren Fabriken hergestellt. Menschliche TÅtigkeit konzentriert sich auf Entwicklung, Konstruktion und Design, auf Éberwachung der Produktionstechnik und auf Vermarktung. FÄr die eigentliche Produktion materieller GÄter sind Menschen ersetzbar geworden. Sie mässen sich zukänftig mehr auf das konzentrieren, was sie von Automaten unterscheidet. FÄr diese Aufgabe erlangen Bildung und Kultur wachsende Bedeutung. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-2

3 1.2 Automatisierung in der Fertigungstechnik Komponenten fär automatische Fertigung Ein besonders sichtbares Wirkungsfeld der Automatisierungstechnik ist die Fertigungstechnik fär WerkstÄcke aller Art. Materielle GÄter werden heute Äberwiegend in Fertigungslinien produziert. In diesen Linien werden Fertigungseinrichtungen verbunden, auf denen in zeitlicher Abfolge Bearbeitungsschritte an einem Produkt durchgefährt werden. Pufferstrecken und Zwischenlager gleichen unterschiedliche Bearbeitungszeiten, WerkzeugrÄstzeiten oder StÜrungen aus. FertigungsstraÇen (auch TransferstraÇen genannt) umfassen Äber Fertigungseinrichtungen hinaus weiter auch Montageeinrichtung, PrÄfplÅtze, Lager u.a. Die Automatisierungstechnik greift in alle diese Komponenten ein. Umfassendes Ziel ist dabei stets die ErhÜhung der Maschinennutzung trotz tendenzieller Abnahme von LosgrÜÇen. Wichtige Komponenten von Fertigungslinien und -straçen sind Handhabungseinrichtungen fär das Be-und Entladen von Maschinen mit den Grundfunktionen Greifen, Einlegen, Positionieren, Spannen, Ordnen, Magazinieren im einzelnen vom Menschen gesteuerte Manipulatoren (z.b. fär gesundheitsschådigende Umgebung) EinlegegerÅte (vorzugsweise fär Punkt-zu-Punkt-Bewegungen) Roboter (vorzugsweise fär freie Bewegungen) Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren NC-Maschinen CNC-Maschinen Roboter (mit Éberschneidungen zu Handhabungseinrichtungen) Roboter fär Transport-, Fertigungs- und Montageaufgaben sowie auch als eigenståndige Bearbeitungsinseln Transporteinrichtungen fär das Be- und Entladen von Maschinen FÄr die automatischen Steuerungen dieser Hauptkomponenten haben sich drei grundsåtzliche Technologien herausgebildet Die CNC-Technik, die Roboter(steuerungs)technik und die Speicherprogrammierbare Steuerungstechnik SPS. Wenn sich auch viele Details Äberschneiden, so zeichnen sich diese drei Felder doch durch einige unterschiedliche und typische Methoden und Vorgehensweisen aus. Dabei erfåhrt die SPS-Technik den breitesten Einsatz bei sehr unterschiedlichen Aufgaben Flexible Fertigungseinrichtungen Aktuelle Tendenz Die Fertigungstechnik geht Äber zu Flexiblen Fertigungszellen, Flexiblen Fertigungsinseln und Flexiblen Fertigungssystemen (FFS) Die GrÄnde dafär sind Schnelle ánderungen am Markt und starke Nachfrageschwankungen erzwingen breiteres Angebot bei kleineren StÄckzahlen und vielen AusfÄhrungen eines Grundmodells. Daraus resultieren folgende Anforderungen Unterschiedliche WerkstÄcke sind in beliebiger Reihenfolge und mit wechselnden LosgrÜÇen auf einer Produktionsstrasse zu fertigen. UmrÄstzeiten sind zu minimieren LagerbestÅnde sind gering zu halten Bedarf, Lagerhaltung und Materialbereitstellung erfordern rechnergestätzte Planung Zwang zu hohem Maschinenausnutzungsgrad Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-3

4 Flexible Fertigungssysteme sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet Vollautomatischer Ablauf und unterbrechungsloser Programmwechsel. Die Bearbei- tungsfolge wird nicht durch manuelle Eingriffe, UmrÄst- oder Umspannarbeiten unterbrochen. Es erfolgt eine fortlaufende Anpassung an Konstruktions- und BearbeitungsÅnderungen durch Laden aktueller NC-Programme. Fertigungskonzept Fertigungsablauf Materialfluss Fertigungs- Äberwachung Steuerung InformationsfluÇ Eine Gruppe numerischer Werkzeugmaschinen ist Äber ein gemeinsames Werk- stäck-transportsystem verbunden. Die Maschinen künnen sich ergånzen und / oder ersetzen, d. h. es werden weniger Spezialmaschinen eingesetzt. Das Fertigungssystem ist nicht an MindestlosgrÜÇen gebunden. Auch EinzelstÄcke und kleine LosgrÜÇen künnen wirtschaftlich hergestellt werden Flexibel gestaltet durch Integration programmierbarer Transport- und Handhabungseinrichtungen, Spannmittel und Werkzeug-Wechseleinrichtungen Sensorgesteuerte Éberwachung der Anlage und der Fertigung, sensorgesteuerte Éberwachung der QualitÅt, z. B. durch Bilderkennung (Vision Control), rechnergestätzte QualitÅtslenkung Programmierbare Steuerung von Fertigung und Éberwachung durch Rechnereinsatz DurchgÅngige Datennetze in allen Betriebsbereichen unter Einbeziehung von Bussystemen, Einsatz Äbergeordneter Leitrechner Die Entwicklung der Fertigungstechnik von NC-Maschinen hin zu Flexiblen Fertigungssystemen (FFS) ist verbunden mit fortschreitender Automatisierung. NC-Maschine + Werkzeug- und WerkstÄck-Wechsel aus Magazinen = Bearbeitungszentrum + Werkzeug- und WerkstÄck-Éberwachung + Transportssystem fär WerkstÄckversorgung + Belade- und Entladeeinrichtung + Entsorgungseinrichtung = Flexible Fertigungszelle Automatisierungsgrad steigt + Verkettung aller Fertigungseinrichtungen + automatischer WerkstÄcktransport vom Spanne bis Lagern + Fetigungsleitrechner = Flexibles Fertigunssystem FFS bzw. bei råumliche Begrenzung Flexible Fertigungsinsel Aktuelle Anforderungen an die Automatisierungstechnik An die Stelle einer starren Automation tritt die flexible Automation der Fertigung mit nachfolgen Erfordernissen Programmierbare Steuerungstechnik fär alle Maschinen, Transporteinrichtungen, Roboter, Handhabungs- und Éberwachungseinrichtungen Technik zur weitråumigen Vernetzung aller Komponenten DurchgÅngige Datensysteme bis hin zu Produktionslenkung und Management Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-4

5 1.2.3 Fertigungs- und Steuerungshierarchie (Quelle Nach einer Vorlage von Prof. Wede Staatl. Berufsakademie Eisenach Vorlesungsscript AT1-06) FFS setzen sich aus einer Reihe hierarchischen Ebenen zusammen, die aus verschiedenen gekoppelten Teilsystemen bestehen. Steuerungen der Äbergeordneten Ebene koordinieren, Äberwachen und lenken die der unter-geordneten Ebene Äber vereinbarte Schnittstellen. Planungsebene Typische Ausstattung Aufgabe Automatisierung des Betriebes Leitebene Leitrechner Auftragserteilung Automatisierung des FFS Gruppensteuerungsebene Zellebene Einzelsteuerungsebene Fertigungsebene Zellenrechner UnterauftrÅge fär Transport- und MaterialfluÇ Automatisierung der Fertig.zellen Unternehmensrechner UnternehmensfÄhrung Maschinensteuerung Maschinenanweisungen Automatisierung von NC, Roboter Transport, PrÄfung Fertigungssystem 1 Aktor - Sensor - Ebene Fertigungssystem 2 Fertigungssystem n Aktor- und Sensortechnik Gewinnung der E/A-Signale fär Informationsverarbeitung Die hierarische Struktur erleichtert den Entwurf der einzelnen Teilsysteme von den globalen Steuerungsfunktionen hin zu den prozessnahen einzelnen Steuerungsaufgaben (top down). Die Struktur bietet auch Vorteile beim schrittweisen Test und der Inbetriebnahme der Teilsteuerungen von der untersten zur obersten Ebene (bottom up). Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-5

6 Der hierarischen Struktur entspricht die klassische Automatisierungspyramide, im Bild dargestellt am Beispiel des Automatisierungssystems Siemens Simatic S7. Zellebene mit Zellbussystemen Feldebene mit Feldbussystemen Aktor-Sensor-Interface Leitebene Automatisierungsebene Leitebene mit Leitrechner, angeschaltet mit Industrial Ethernet Gruppensteuerungsebene mit S7-400 / 300, vernetzt mit Profibus-DP oder Industrial Ethernet Einzelsteuerungsebene mit SPS S7-400 / 300 / 200, Feldbus Profibus-DP und Aktor-Sensor-Interface ASI Bild 1-3 Klassische Automatisierungspyramide, dargestellt am Beispiel des Automatisierungssystems Siemens Simatic S7 (Stand vor EinfÄhrung von PROFINET) Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-6

7 1.3 Grundwissen CNC-Technik Quellen Wikipedia -> http//de.wikipedia.org/wiki/computerized_numerical_control CNC Grundlagen MTS Teachware Student s Book MTS Mathematisch Technische Software GmbH Berlin (siehe File CNC-Handbuch.PDF) Fachkunde Metall, Abschnitt CNC-Steuerungen Europa-Fachbuchreihe fçr metalltechnische Berufe Nr Verlag Europa-Lehrmittel NC-bzw. CNC-Technik ist ein eigenståndiges Fachgebiet fär die Automatisierung von Werkzeugmaschinen, heute auch von vielfåltigen Bearbeitungsmaschinen fär andere Werkstoffe wie Holz, Kunststoff u.a.. NC/CNC-Steuerungen arbeiten nach anderen Gesichtspunkten als SPS-Steuerungen und teilweise auch als Robotersteuerungen. QualitÅtsbestimmendes HerzstÄck von CNC-Steuerung sind Bahnsteuerungen fär hochdynamische Antriebe, welche die Werkzeuge oder WerkstÄcke bewegen. Die Buchstaben NC und CNC stehen fär Numerical Control bzw. Computerized Numerical Control. Die Begriffe leiten sich von Numerischer Mathematik (kurz Numerik) ab. Diese beschåftigt sich u.a. mit Allgorithmen fär kontinunierliche mathematische Probleme, insbesondere mit NÅherungen zur Beschreibung von Bahnen und VerlÅufen. NC bzw. CNC stehen daräber hinaus fär die Steuerung numerischer Werkzeugmaschinen. Automatische Werkzeugmaschinen bzw. Bearbeitungszentren, die Zusatzeinrichtungen wie Werkzeugwechsler, Palettenwechsler, KÄhlmittelpumpen, SpÅnefÜrderer u.a. haben, werden Äberwiegend nicht mehr manuell, sondern von einer NC/CNC Steuerung betrieben. Bildquelle Wikipedia Bild 1-4 Ansicht einer modernen CNC-Fertigungszelle Das NC Programm bzw. CNC-Programm enthålt die DatensÅtze fär alle ArbeitsgÅnge vom Rohling bis zum WerkstÄck, insbesondere die Anweisungen fär das Verfahren aller Achsen der Maschine. Die DatensÅtze von NC-Programmen wurden urspränglich mit Lochstreifen o.å. bereitgestellt. Diese Aufgaben Äbernimmt seit 1975 die Computertechnik. Die Orientierung auf die Arbeitsachsen ist ein besondere Kennzeichen von NC/CNC. Die Erstellung von CNC-Programmen verånderte sich im Zuge des technischen Fortschritts 1. DIN/ISO Programmierung Manuelle Eingabe von DatensÅtzen 2. Dialogsteuerung BenutzergefÄhrte CAD-Åhnliche ProgrammieroberflÅche 3. Data Numerical Control (DNC) Vernetzung mit Konstruktion und Ébertragung der Daten von direkt vom Konstruktionsrechner zur Maschine Das Wirkungsprinzip von NC-Steuerungen (Quelle AuszÄge aus Wikipedia) Das NC-Programm Äbergibt der Maschine StÄtzpunkte fär die Werkzeuge. Daraus werden Bahnkurven interpoliert., Die CNC-Steuerung erfasst mit Positions-, Drehwinkel- und Zustands- Sensoren den Istzustand von Achsen und berechnet im ms-bereich die AbstÅnde zum Sollzustand. Diese dienen dann als FÄhrungsgrÜÇe der einzelnen Achsen und anderer Maschinenelemente unter Beachtung von Ruckfreiheit, maximal müglicher Beschleunigungen und Geschwindigkeit. Entscheidend ist hohe PrÅzision bei hohen Geschwindigkeiten auch bei komplizierten Formen. Leistungsmerkmal von CNC-Steuerungen ist die Zahl der gleichzeitig interpolierbaren Achsen. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-7

8 Zentrales Element der NC-Maschine sind die geregelten Achsantriebe. Sie werden mit dreifacher Reglerkaskade betrieben Der Vergleich von Soll- und Istlage liefert die Sollgeschwindigkeit. Der Vergleich mit der Istgeschwindigkeit liefert die Sollbeschleunigung Die Sollbeschleunigung liefert je nach Antriebstechnik Spannungs- und Stromwerte. Das Moment (zumeist Äber StromstÅrke bestimmt) wird nochmals speziell geregelt, um auf StÜrungen wie den plützlichen Materialeingriff schnell reagieren zu künnen. Die Ansteuerung der Achsen entwickelte sich historisch Äber Punkt- und Streckensteuerung zur Bahnsteuerung Punktsteuerung (Point-to-Point) Bei ihr wird nur der Endpunkt einer direkten Bewegung (meist auf dem schnellsten Weg) festgelegt. WÅhrend der Bewegung erfolgt keine abgestufte Regelung der Verfahrgeschwindigkeit. Die Punktsteuerung ist veraltet, ist aber mitunter fär einfaches Stanzen, PunktschweiÇen, Bohren oder fär Greifroboter immer noch ausreichend. Streckensteuerung Bei ihr wird zusåtzlich zur Punktsteuerung die Bewegungsgeschwindigkeit jeweils einer Achse beim Verfahren geregelt. Sie ist ebenfalls veraltet, reicht aber fär achsparallele Bewegungen (z.b. NutenfrÅsen) weiter aus. Bahnsteuerung Bei der Bahnsteuerung künnen beliebige Verfahrbewegungen mit mindestens zwei gleichzeitig gesteuerten Achsen realisiert werden. Dazu mässen die Geschwindigkeiten der Achsantriebe aufeinander abgestimmt werden. Diese Aufgabe wird vom Interpolator geleistet. Die 2 D-Bahnsteuerung kann beliebige Konturen mit zwei festgelegten Achsen abfahren (Drehmaschinen). Kann der Bediener dabei zwei von drei Achsen beliebig auswåhlen, spricht man von einer 2â D-Bahnsteuerung. Bei der 3 D-Bahnsteuerung künnen drei Achsen gleichzeitig gesteuert werden. Meist kommen noch zwei Achsen fär schwenk- und drehbare WerkstÄck- oder Werkzeugaufnahmen hinzu. Aktuelle Steuerungen verwalten und regeln bis zu 30 Achsen. Durch Verwendung der drei Achsen X, Y und Z wird jeder Punkt im Bearbeitungsraum einer Werkzeugmaschine erreicht. Dies ermüglicht zunåchst nur achsparallele Bewegungen. Um beispielsweise eine Bohrung unter einem Winkel von 45ä anzubringen, ist es erforderlich, das WerkstÄck oder das Werkzeug (oder beides) zu drehen. Moderne Maschinen bieten die MÜglichkeit, den Maschinentisch zu drehen oder zu schwenken, um weitere Konturbearbeitungen zu ermüglichen. Diese Rotationsachsen werden je nach Anordnung auf der Maschine mit den Buchstaben A, B und C bezeichnet A rotierend um die X-Achse, B um die Y- Achse und C um die Z-Achse. Des weiteren künnen noch so genannte Hilfsachsen entsprechend zu X, Y und Z virtuell erzeugt werden, die dann mit U, V, W bezeichnet werden und fär eine virtuelle Drehung der Bearbeitungsebene fär die Bearbeitung auf schrågen FlÅchen dienen. Alle Achs- Richtungen künnen mehrfach an einer Werkzeugmaschine vorkommen. Eine CNC-Steuerung umfasst Dateneingabe von Hand Äber Bedienfeld oder PC-Schnittstelle und Datenspeicherung Datenverarbeitung durch mehrere Mikroprozessoren (CPU) mittels CNC-Programm Ausgabe von Betriebsdaten und Programmen Äber PC-Schnittstelle Ansteuerung aller Werkzeuge und Kontrolle aller Werkzeug- und Antriebsdaten GrundsÅtzliches Vorgehen bei der Erstellung von CNC-Programmen Die Bearbeitung eines WerkstÄcks basiert auf einer Reihe von Koordinaten und Referenzpunkten Rechtwinkliges Koordinatensystem mit X-,Y- und Z-Achse. Diese werden auf das WerkstÄck bezogen. FÄr die Festlegung des Vorzeichens von Verfahrwegen wird stets angenommen, dass sich das WerkstÄck bewegt. Polarkoordinatensystem insbesondere fär die Programmierung von Winkeln FÄr die Beschreibung von Drehbewegungen werden die Achsen A, B und C definiert. Der Maschinenhersteller legt einen Maschinennullpunkt M fest. Alle Wegmesssysteme liefern hier Wert Null. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-8

9 Inkrementale Wegmesssysteme werden am Referenzpunkt R geeicht. Das eindeutige Anfahren eines Referenzpunktes wird durch den WerkzeugtrÅgerbezugspunkt T gesichert. Alle WerkstÄckgeometrie bezieht sich auf den WerkstÄcknullpunkt W. Die AbstÅnde zum Maschinennullpunkt werden als Nullpunktverschiebung in die Steuerung Äbernommen. Damit die WerkstÄckkontur unabhångig vom eingesetzten Werkzeug programmiert werden kann, werden Werkzeuge extern oder intern vermessen. Ergebnis sind Schneidenpunkt P und Werkzeugbezugspunkt E. Durch Korrekturwerte wird gesichert, dass Werkzeugbezugspunkt E und WerkzeugtrÅgerbezugspunkt W Äbereinstimmen. CNC-Programme bestehen aus Programmnummer und DatensÅtzen. Aus den WerkstÄckdaten bestimmt der Programmierer die erforderlichen WerkstÄckbewegungen und ÄberfÄhrt diese in DatensÅtze. Die SÅtze sind fortlaufend durchnummeriert und werden von oben nach unten abgearbeitet, mitunter unter Verwendung von SprÄngen. SÅtze bestehen aus einem oder mehreren WÜrtern, diese wiederum aus einem Adressbuchstaben und einer Zahl. SÅtze sind nach einem festgelegten Satzformat zu schreiben. Ein Satz beginnt immer mit der Satznummer N. Danach werden Programmanweisungen formuliert. Folgende grundsåtzliche Anweisungsarten wurden festgelegt, und ein Teil davon ist genormt Weganweisungen G zur Festlegung der Art der Bewegung z.b. Eilgang (G00), Kreisinterpolation im Uhrzeigersinn (G02), konstante Schnittgeschwindigkeit (G96), LÜschen der Nullpunktverschiebung (G53), absolute MaÇangaben (G90), relative MaÇangaben (G91) Geometrische Anweisungen X, Y, Z, A, B, C zur Steuerung von Schlittenbewegungen z.b. X10, Y24,5 Technologische Anweisungen zur Festlegung von Vorschub F, Drehzahl S und Werkzeug T Schaltbefehle M fär z.b. Werkzeugwechsel, KÄhlmittel u.a. Unterprogrammaufrufe fär wiederholt benütigte Programmabschnitte CNC-Programme erhalten mit solchen Festlegungen folgendes prinzipielles Aussehen N100 G00 X100 Y60 N101 G02 Y30 N102 X54 Z N Hinweise Steuerung oder Regelung? Bei der Beschreibung der Achssteuerungen wird wie umgangssprachlich Äblich nicht exakt zwischen geregelten und gesteuerten Achsen unterschieden. Exakt werden die Achsen fast durchweg in Regelkreisen betrieben, sind also geregelte Achsen. Dennoch spricht man zumeist von Achssteuerungen. CNC- und SPS-Steuerungen und Motion Control Neben den speziellen numerischen Elementen fär die Bahnsteuerungen benütigt ein NC- Bearbeitungszentren fär allgemeine digitale Signalverarbeitung auch SPS-Steuerungen, z.b. fär Transporte, Spannen, KÄhlmittebereitstellung u.a. Diese hochwertige Antriebstechnik fär Bahnsteuerungen wurde einige Jahrzehnte allein von Gleichstromantrieben (umgangssprachlich Servomotoren) und Schrittmotoren dominiert. Derzeit erlangen hochdynamische frequenzgestellte Drehstromantriebe zunehmende Bedeutung. Viele Grenzen werden flieçend So wird mit dem Fachbegriff Motion Control moderne Antriebstechnik bereits in allgemeine SPS-Steuerungen integriert. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-9

10 Numerische Steuerung Programm-/Dateneingabe Lokal Programmeditor Extern Diskette, CD, Rechnerkopplung NC-Programm Satzaufbereitung (NC-Interpreter) Schaltbefehle M, T Geometriedaten (X, Y, Z, A...) Technologiedaten (F, S, G...) Interpolator Synchronisation X Y Z numerische Sollwerte (FÉhrungsgrÖÜen) fér jeden Lageregler Lageregelung fér jede Achse BinÅre Steuerung (SPS) Regeldifferenz Lageregler Lageregler Positionsaufbereitung Lageregler Lageregelkreis x Lageregelkreis y Lageregelkreis z Werkzeughandhabung KÉhlmittel EIN/AUS Erweiterung WerkstÉckhandhabung Spanneinrichtungen Sensorsignale Stellsignale BinÅre (Beispiel) Sensor- und Stellsignale Steuerbare Maschine M W Antriebsmotor Wegmesssystem Bild 1-5 Prinzip der Steuerung einer numerischen Bearbeitungsmaschine Quelle Prof. Wede Staatl. Berufsakademie Eisenach Vorlesungsscript AT Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-10

11 1.4 Grundwissen Industrieroboter und Robotersteuerung Quellen Wikipedia -> http//de.wikipedia.org/wiki/industrieroboter Roboter sind stationår aufgebaute oder auch mobile Maschinen fär unterschiedlichste Aufgaben wie Einlegen und Ébergeben, BestÄcken, Montieren, Farbspritzen, SchweiÇen, Stapeln und Verpacken u.a. Insbesondere werden sie in gefåhrlicher oder unzumutbarer Umgebung eingesetzt. MaÇstab ihrer LeistungsfÅhigkeit sind Geschwindigkeit, Positioniergenauigkeit, Wiederholgenauigkeit von Bewegungen sowie Arbeitsbereiche und Nennlast. Ihre hohe Beweglichkeit wird durch bis drei Hauptachsen und weiteren drei Achsen fär die Bewegung von Greifern oder Werkzeugen gewåhrleistet. Die Fachdisziplin, die sich mit der Konstruktion von Robotern befasst, wird als Robotik bezeichnet. Ein spezielles Gebiet der Robotik ist die Entwicklung Humanoider Roboter. Roboter nehmen bei der Automatisierung der Fertigung eine besondere Stellung ein. Industrieroboter sind universelle Bearbeitungsmaschinen. Hauptbaugruppen sind Manipulator, Effektor (Werkzeug, Greifer, etc.) und Steuerung. Zumeist werden quasistandardisierte GrundgerÅte eingesetzt und diese dann mit speziellen Werkzeugen, Greifern etc. ausgerästet. Der Manipulator (Roboterarm) ist eine multifunktionale Handhabungseinrichtung, wodurch die Grenzen zwischen Industrieroboter und klassischen Handhabungseinrichtungen flieçend sind. Er besteht aus zumeist aus einer durch Dreh- und Schubgelenke verbundenen Kette von Gliedern. Die Bandbreite der TragfÅhigkeit der Roboterhand liegt heute bei ca. 2 bis 500 kg. Die Steuerung ist mit umfangreicher Sensorik verbunden und wirkt auf hochdynamische Antriebe. Diese bestehen aus speziellen Motoren (Servomotoren, Schrittmotoren) mit ihrer Regelung, Getrieben und den sogenannten kinematischen Ketten. Neben elektrischen werden auch pneumatische und hydraulische Antriebe eingesetzt. áhnlich wie bei CNC-Technik sind auch in der Robotertechnik schnelle Achsantriebe von zentraler Bedeutung. So werden Gelenkarmroboter oder Portalroboter oft nach der Zahl ihrer gesteuerten Achsen bezeichnet und unterschieden. Weitere Typ- Bezeichnungen sind Linear-Arm-Roboter, Horizontal-Schwenkarm-Roboter, Universalroboter u.a. Roboter erhalten Ihre Funktion durch ein Programm. RÄstet man Industrieroboter mit entsprechenden Sensoren aus (z.b. Bildverarbeitung), so künnen diese ihre Aufgabe weitgehend autonom (selbståndig) ausfähren und auch begrenzt variieren, z.b. unterschiedliche BearbeitungsgÅnge bei farblich unterschiedlichen Teilen. Die Robotersteuerung arbeitet håufig mit einer SPS zusammen. Diese Äbernimmt das Zusammenspiel zwischen dem Roboter und der umgebenden Anlagentechnik. Auch diese Grenzen sind flieçend. Zentrale Aufgabe von Robotersteuerungen ist die schnelle Positionierung der Roboterhand in einem geeigneten Koordinatensystem nach den Vorgaben des Anwenders. Dazu berechnet die Steuerung alle erforderlichen Bewegungen und Gelenkeinstellungen aus den Istkoordinaten und den Koordinaten der gewänschten Handstellung. Die Stellungen des Roboters künnen achs- oder aber raumbezogen beschrieben werden. Bei der raumbezogenen Beschreibung definiert man einen Referenzpunkt (Tool Center Point TCP). Von diesem Punkt ausgehend sind dann jeweils nur eine råumliche Position und eine Verdrehung des Greifers zu bestimmen, und aus dieser werden die Stellungen der einzelnen Achsen berechnet. Bild 1-6 Kuka Gelenkarmroboter mit 6 Achsen Bildquelle Wikipedia Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-11

12 Die Berechnung wird als RÄckwÅrtsrechnung bezeichnet und ist ein komplexe Problem der Kinematik. Zumeist bedeutet es Optimierung der LÜsung einer Vielzahl kinematischer Gleichungssysteme (Triangulationen). Die Berechnung muss zudem im ms-bereich erfolgen. FÄr die Weiterentwicklung der theoretischen Grundlagen werden måchtige Tools der Computeralgebra eingesetzt und neuartige entwickelt. Roboterprogramme künnen Online und Offline erstellt werden Online-Programmierung Das wichtigste Online-Verfahren ist das Teach-In-Verfahren (kurz Teachen). Hier fåhrt der Programmierer den Roboter mit einer Steuerkonsole nacheinander in die gewänschten Positionen und speichert diese als Raumpunkte in der Steuerung. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis die gesamte Bewegung durch markante Punkte beschrieben ist. FÄr die Bewegung zwischen den einzelnen Punkten künnen Parameter eingegeben werden wie Geschwindigkeit und Beschleunigung, Verfahren auf gerader Linie oder Kreisbahn oder auf einer fär den Roboter besonders gänstigen, geometrisch aber nicht exakt festgelegten Bahn. Nach dem Teachen kann die Bewegung vom RoboterselbstÅndig nachvollzogen werden. Als Play-back-Verfahren (engl. Wieder ablaufen) bezeichnet man die gleiche Methode, wenn der Programmierer den Roboterarm direkt fährt. Offline-Programmierung Textuelle Programmierung Beschreibung des Programms mit einer problemorientierten hüheren Programmiersprache. Das Programm låsst sich leicht Åndern und gut dokumentieren und kann ohne Nutzung des Roboters erstellt werden. Nachteilig ist, dass fast jeder Hersteller eine eigene Programmiersprache benutzt und deshalb spezielles qualifiziertes Personal erforderlich ist. Bild 1-7 Gelenkarmroboter mit SchweiÇbrenner Bildquelle Wikipedia CAD gestätzte Programmierung Das Programm wird an einem PC-Arbeitsplatz auf Basis von Konstruktionszeichnungen und Simulationen in einer dreidimensionalen Entwicklungsumgebung erstellt. Dabei sind in der Regel die Umgebung des Roboters und sein Werkzeug ebenfalls abgebildet. Dadurch künnen verschiedene Untersuchungen durchgefährt werden Sind die gewänschten Arbeitspunkte Äberhaupt erreichbar? Wie lange benütigt der Roboter fär diesen Bewegungsablauf? Kommt es bei diesem Programm zu Kollisionen mit der Umgebung? Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-12

13 Vorteile der CAD-gestÄtzten Programmierung in Verbindung mit Simulation Die Programmierung des Roboters kann bereits erfolgen, wenn dieser noch gar nicht aufgebaut ist. Planungs- und Konstruktionsfehler künnen frähzeitig erkannt werden. Erforderliche ánderungen künnen in diesem Stadium noch am Computer vorgenommen werden und es ist kein teurer Umbau auf der Baustelle notwendig Umfangreiche ánderungen an Roboterprogrammen sind teilweise wesentlich einfacher müglich als direkt am Roboter In der 3D-Umgebung am Computer kann jeder Teil der Roboterumgebung von allen Seiten betrachtet werden. In der RealitÅt sind Arbeitspunkte des Roboters oft verdeckt oder schwer zugånglich. Nachteile der CAD gestätzten Programmierung Die genaue Umgebung existiert oft nicht als 3D-Modell. Tragende Elemente der Werkshallen- Installation wie Pfeiler, TrÅger, Traversen o.å. sind daher schwer zu beräcksichtigen. Alle Vorrichtungen und Werkzeuge mässen exakt den Modellen im Computer entsprechen. Das Teaching ist oft einfacher und schneller. Flexible Versorgungsleitungen wie Druckluft-Einspeisung, KÄhlwasserschlÅuche, SchweiÇstromversorgung oder Kleber- und BolzenzufÄhrungen künnen am Computer nur unzureichend abgebildet werden, bewirken aber erhebliche BewegungseinschrÅnkungen des realen Industrieroboters. Das in der CAD-gestÄtzten Programmierung erstellte Programm wird in den Industrieroboter Äbertragen und kann dann sofort ausgefährt werden. Normalerweise sind aber noch vielfåltige Anpassungen (Roboterkalibrierung) erforderlich, da die simulierte Umgebung nie genau mit der RealitÅt Äbereinstimmt. Auch die Anbindung an die SPS erfolgt meist erst vor Ort. Bei håufig wiederkehrenden ArbeitsvorgÅngen werden Makros erstellt, welche wiederholte Befehlsfolgen in verkärzter Form darstellen. Das Makro wird einmal programmiert und anschlieçend an den erforderlichen Stellen des Steuerprogramms eingefägt. Zum Stand der Technik gehürt auch die MÜglichkeit, Sprachelemente zum Teachen eines Roboters einzusetzen (Akkustische Programmierung). Der Programmtext wird Äber die natärliche Sprache mit Hilfe eines Mikrofons erstellt. Das System kann die Befehle akustisch beståtigen und so eine Kontrolle der richtigen Erfassung ermüglichen. Allerdings ist die Fehlerrate heutiger Spracherkennungssysteme noch relativ hoch. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-13

14 1.5 Grundwissen SPS-Technik Quelle Einzelne Passagen wurden unter Nutzung von Wikipedia erarbeitet -> http//de.wikipedia.org/wiki/speicherprogrammierbare _Steuerung Historie SPS steht fär Speicherprogrammierbare Steuerung (engl. Programmable Logic Controller PLC). Mit der Betonung der Programmierbarkeit und der Ablage eines Programms in einem (Programm-) Speicher werden die Hauptmerkmale der Technik bereits im Namen festgeschrieben Die Steuerungen selbst sind flexibel und universell fär verschiedendste Aufgaben einzusetzen, die aktuelle Funktion selbst wird mit einem Programm festgelegt. Der Part Steuerung im Namen besagt nicht, dass diese Technik keine Regelungsaufgaben Äbernehmen kann. SPS ist die dominierende Automatisierungstechnik fär breiteste Aufgaben auçerhalb der speziellen CNC- und Roboterwelt, wobei die Grenzen zunehmend flieçend sind. Die erste Speicherprogrammierbare Steuerung wurde 1970 in Chicago fär eine Werkzeugmaschine vorgestellt erschienen erste Applikationen in der BRD. Im Zeitraum 1975 bis 1985, spåtestens bis 1990 vollzog sich der grundsåtzliche Ébergang von den verbindungsprogrammierten Steuerungen (VPS) mit Relais und SchÄtzen und danach auch von festverdrahteter Logik hin zu den speicherprogrammierten Steuerungen erschien mit DIN SPS-Programmierung die erste Norm zu speziellen Problemen der SPS, 1993 wurde diese Norm durch IEC ersetzt. Die Vorteile der SPS-Technik wie FlexibilitÅt, geringerer Platzbedarf, hühere ZuverlÅssigkeit, geringere Kosten, MÜglichkeit der Vernetzung mit anderen Systemen, MÜglichkeiten fär Fehlerdiagnose und Fernwartung der Programme und hauptsåchlich der schnelle Funktionswechsel durch ProgrammÅnderung setzten sich durch. Verbindungsprogrammierte Steuerungen mässen bei jeder ánderung im Steuerungsablauf hardwareseitig umgebaut werden, was heute nicht mehr konkurrenzfåhig ist. Auf der Aktorseite sind bei der Anschaltung von SchÄtzen Restfelder verdrahteter Steuerungen zumeist im Rahmen von Hilfskontakt-SÅtzen erhalten geblieben. Weiter gibt es sicherheitsrelevante FÅlle, welche Festverdrahtung verlangen und bei denen es sogar verboten ist, sie per Standard-SPS zu steuern. FÄr solche Zwecke künnen heute allerdings spezielle fehlersichere SPS verwendet werden. Das bekannteste und weitverbreiteste SPS-System ist Simatic S7 der Siemens AG mit den Baureihen S7-200 mit Software Step7MicroWin und S7-300 sowie S7-400 mit Software Step7. Daneben gibt es eine Vielzahl anderer Hersteller. Die Systeme sind zueinander nicht kompatibel! KompatibilitÅt entsteht, wenn sich Hersteller bei der Entwicklung von Programmiersystemen hardwareunabhångig an die Norm IEC halten. Mit derartigen Systemen entstehen Programme, die auf verschiedensten Hardware-Plattformen laufen ( z.b. CoDeSys Automation Alliance) GrundsÅtzliche Struktur und Baugruppen von SPS Die Struktur der SPS-Technik kann am besten mit der grundlegenden LÜsung von Automatisierungsaufgaben demonstriert werden. Diese besteht im Einlesen von Signalen aus dem zu automatisierenden Prozess, der rechentechnischen Signalverarbeitung in einer CPU und dem Ausgeben von Signalen an die Stellorgane des Prozesses. Bild zeigt, dass eine SPS in minimaler AusfÄhrung immer aus Eingabeeinheit, Verarbeitungseinheit und Ausgabeeinheit besteht (EVA -Prinzip). VielfÅltige Zusatzbaugruppen sind müglich. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-14

15 Eingangssignale Sensorik Messen und Umformen Signalerfassung Informationsverarbeitung Informationsgewinnung Steuern / Regeln Bedien- und Meldesysteme Automatisierungssystem Ausgangssignale Aktorik Schalten/Stellen/ Antreiben Verwertung von Informationen Kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Prozess (z.b. Stoffwandlung / Energiewandlung / Teilefertigung) Die grundsåtzliche Aufgabe der Automatisierungstechnik schlågt sich nieder im grundsåtzlichen Aufbau der SPS-Technik Stromversorgung Zentraleinheit CPU E / A Baugruppen (zentrale Peripherie) Anschaltung anderer Systeme x Minimalsystem Human Machine Interface (HMI) Anschaltung E / A Baugruppen (dezentrale Peripherie) Bild GrundsÅtzliche Struktur der Automatisierungstechnik mit SPS Eingangs- Ausgangs- Signale Eingangs- Ausgangs- Signale Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-15

16 Typische Eigenschaften der Hardware Stromversorgung Versorgungsspannung von SPS-Systemen heute Äberwiegend DC 24 V. Daraus werden fär die CPU intern DC 5V bereitgestellt. FÄr analoge Signale auch 10V V gebråuchlich Zentraleinheit (CPU) Die CPU beinhaltet den Prozessor und die erforderlichen internen und / oder externe Speicher fär Firmware, Anwenderprogramm sowie remanente und nichtremanente Daten. Prozessor und Firmware sind auf ein Echtzeitbetriebssystem fär Logik und Arithmetik optimiert, d.h. auf schnelle Bit-, Byte- und Wortverarbeitung, wobei die vorzugsweise Adressierung von Byte oder Wort bei unterschiedlichen SPS auch unterschiedlich sein kann. FÄr Standard-Applikationen stehen eine Vielzahl von Software-Bibliotheken zur VerfÄgung. Aktuelle CPU verfägen Äber Schnittstellen fär gångige Bussysteme. Digitale Eingangsbaugruppen Signalpegel Äberwiegend DC 24V, wobei der Bereich ,5V als 0-Signal und V als 1-Signal gewertet wird. EingÅnge werden Äberwiegend Äber Optokoppler galvanisch vom Prozess entkoppelt und mittels TiefpÅssen entstürt. Beim Anschalten von Signalgebern ist zu beachten, dass mehrere EingÅnge håufig eine gemeinsame Wurzel haben, d.h. gemeinsames Massepotential. Digitale Ausgangs- Kontaktlose AusgÅnge mit Transistoren 24V typisch 500mA, baugruppen mit Triac V AC typisch 1A, RelaisausgÅnge typisch AC 230V 2 A GrundsÅtzlich ist die Versorgungsspannung an die Baugruppen heranzufähren, teilweise auch Äber Baugruppensicherungen. Bei kontaktlosen AusgÅngen ist die Notwendigkeit einer galvanischer Trennung besonders zu präfen! Analoge Eingangsbaugruppen Analoge Ausgangsbaugruppen Sie enthalten Analog-Digital-Wandler (ADU) mit unterschiedlicher AuflÜsung (8, 10, 12, oder 15 Bit). Jedem Analogsignal wird ein Eingangswort zugeordnet, in welches der digitale Wert geschrieben wird. Bit 15 ist dem Vorzeichen vorbehalten. Die Wandlung erfolgt zyklisch. Typische Wandlungszeit <100 ms. Die KanÅle werden per Software, teilweise auch noch mit Hardwareeinstellungen parametriert. Typische Signale ma, V, V, Pt100 - und Thermoelement- EingÅnge Manche Baugruppen mit StÜrfrequenzunterdrÄckung. Sie enthalten Digital-Analog-Umsetzer (DAU). Diese wandeln digitale Ausgangsworte in genormte analoge Signale wie mA, 0..10V, V Die Wandlung erfolgt zyklisch, Wandlungszeit typisch <100ms. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-16

17 1.5.3 Programmbearbeitung, Prozess-Abbilder und Mehrfachzuweisungen CPU Eingangs-KBG Ausgangs-KBG PAE Prozessabbild EingÅnge PAA Prozessabbild AusgÅnge Externer Programmund Daten-Speicher (EEPROM / Flash-ROM) Rechenwerk Adress- ZÅhler Akkumulator 1 Akkumulator 2 Akkumulator 3 Akkumulator 4 Interner Adress-, Steuerund Datenbus Programm- Speicher (RAM / EEPROM) Datenspeicher (RAM) Merkerbereich Timer Counter Datenbausteine Bei zyklischer Programmbearbeitung serielle Abarbeitung aller Programmanweisungen! Getrennte Bereiche bei Simatic S7 / Step7 PAE U E 2.2 = A 0.1 L EB10 T AB4 U M 40.0 = A 0.1 L DWB22 T AB4 PAA?? Mehrfachzuweisungen, d.h. das Syntax Step7 mehrfache Beschreiben von AusgÅngen im PAA innerhalb eines Zyklus, fähren zu Programmfehlern! Bild Schematische Darstellung wesentlicher Hardwarekomponenten einer SPS und Probleme der Mehrfachzuweisungen bei zyklischer Programmbearbeitung Hinsichtlich des Datenspeichers und der Programmsyntax orientiert sich die Darstellung an Simatic S7. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-17

18 Aktuelle SPS-Technik unterscheidet drei Formen der Bearbeitung des Anwenderprogramms. zyklische Programmbearbeitung (Bild 1.5-3) Standard, niedrigste PrioritÅt, angewendet z.b. fär Ablaufsteuerungen, Verriegelungen, Grenzwert- Äberwachungen, langsame ZÅhler, allgemeine Aufgaben Die zyklische Programmbearbeitung wird bei Step7 durch den Organisationsbaustein OB1 bewirkt, im System CoDeSys durch die Programmorganisationseinheit PLC_PRG. Der Standard-Zyklus einer SPS Einschalten der SPS CPU STOPP -> RUN Anlaufroutine z.b. LÜschen nichtremanenter Daten und des PAA Starten der ZyklusÄberwachungszeit Zeiten bearbeiten Einlesen aller EingÅnge in das PAE 1 x pro Zyklus Zyklus Serielle Berarbeitung aller Anweisungen Die Ergebnisse werden in das PAA und in die Merker- und Datenbereiche geschrieben (nicht in die AusgÅnge!) Schreiben des PAA in die Ausgangsbaugruppen 1 x pro Zyklus Kommunikation mit anderen Systemen und ProgrammiergerÅten Bild Schema des Zyklus einer SPS Die Zykluszeit der SPS ist die Zeit fär die Abarbeitung eines Zyklus einschlieçlich aller Kommunikationsaufgaben. Sie ist abhångig von der Rechenzeit fär das Programm, also abhångig von der Zahl der Anweisungen. HÜherpriorisierte Task unterbrechen den Zyklus und verlångern damit die Zykluszeit. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-18

19 FÄr eine Ermittlung der Rechenzeit stellen die Hersteller Werte zur VerfÄgung z.b. CPU S DP/PN ca. 0,2ãs fär Wortbefehle, ca. 1 ãs fär Gleitpunktoperationen. oder CPU 214 fär 1000 AWL-Befehle 0,8 ms Die Zykluszeit wird Äberwacht. Éberschreitet sie eine einstellbare ZyklusÄberwachungszeit (typisch 150 ms), so geht die CPU in Stopp. Die Reaktionszeit ist die Zeitdauer zwischen der ánderung eines Eingangssignals und der Reaktion durch ánderung des Ausgangssignals. hüher priorisierter Task verlångert die Zykluszeit Einlesen Einlesen Einlesen Einlesen Ereignis Bearbeitung Bearbeitung Bear- Task -beitung Bearbeitung Ausgeben Ausgeben Ausgeben Reaktion Reaktionszeit Die Reaktionszeit auf ein binåres Ereignis ist im ungänstigsten Fall die Summe aus der doppelten maximal zu erwartenden Zykluszeit (worst case), der VerzÜgerungszeit des BinÅreingangs (typisch 2-5 ms) und der VerzÜgerung des Aktors (z.b. Magnetventil typisch ms). Reaktionszeit 2 x max.zykluszeit + VerzÜgerungszeit d. Eingangs + Reaktionszeit d. Ausgangs Vorteile der zyklischen Programmbearbeitung Die Rechenleistungen der CPU werden immer genutzt. Es sind keine Berechnungen der Zykluszeiten erforderlich. Nachteile der zyklischen Programmbearbeitung Weil die Rechenzeit schwanken kann, ist das System streng genommen nicht deterministisch! Zeitkritische Programmteile werden durch ProgrammÅnderungen beeinflusst, auch wenn dort selbst keine VerÅnderungen vorgenommen werden. Die serielle Bearbeitung aller Anweisungen hat Konsequenzen Das Programm wird grundsåtzlich nur mit Werten aus dem Prozessabbild der EingÅnge berechnet. Andernfalls künnten die Eingangssignale wåhrend des Zyklus mit unterschiedlichen Werten in die Programmbearbeitung eingehen! Ausgangssignale därfen im Programm nicht mehrmals geschrieben werden, weil zuvor berechnete Werte im PAA durch nachfolgende Werte Äberschrieben werden. Die gefärchteten Mehrfachzuweisungen fåhren immer zu Programmfehlern! Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-19

20 zeitgesteuerte (zeitzyklische) Programmbearbeitung mittlere PrioritÅt, angewendet z.b. fär regelungstechnische Funktionen, zeitkritische BinÅrverarbeitungen Die zeitgesteuerte Programmbearbeitung wird bei Step7 durch Organisationsbausteine fär Uhrzeit- und Weckalarme (z.b. OB10, OB35) bewirkt, im System CoDeSys durch zeitgesteuerte Task. Bei der zeitgesteuerten Programmabarbeitung muss die Zykluszeit bestimmt werden, damit zeitgesteuerte Programmaufrufe und Rechenzeiten nicht kollidieren. Die Rechenzeit sollte maximal % der zugewiesenen Zykluszeit betragen. Werden mehrere hüher priorisierten Task s aufgerufen, sollte die Rechenzeitreserve der zeitzyklischen Task entsprechend erhüht werden. Bei regelungstechnischen Anwendungen sollte die Zykluszeit z.b. mindestens um den Faktor 5 kleiner sein als die Summenzeitkonstante des geschlossenen Regelkreises. ereignisgesteuerte Programmbearbeitung hüchste PrioritÅt, vergleichbar mit Interrupt, angewendet z.b. fär ausgewåhlte, besonders zeitkritische Prozesse. FÄr die Auswertung von Ereignissen des Prozesses benütigt man spezielle interruptfåhige BinÅreingangskarten (hüherer Preis!). Die (interne) ereignisgesteuerte Programmbearbeitung wird bei Step7 durch Fehlerbausteine (z.b. OB86 Ausfall eines DP-Slave) bewirkt, im System CoDeSys durch ereignisgesteuertetask. Multitasking Im Zusammenhang mit der Bearbeitung umfangreicher Programme und bei zeit- und ereignisgesteuerter Programmbearbeitung werden Programmteile als Task bezeichnet (Task engl. fär Aufgabe, Prozess, in Anspruch nehmen). Ein Task ist der aktuell wirksame Teil des Anwenderprogramms zur Laufzeit, organisiert z.b. durch Zeitschlitze oder PrioritÅten. Programmsteuerung durch Task stellt zumeist eine Alternative zur zyklischen Programmbearbeitung dar. Einige Task's vom Betriebssystem künnen von der Anwendersoftware nicht beeinflusst werden (Funktionen des Betriebssystems z.b. Kommunikation mit der Programmierschnittstelle oder die Task des Windows-Betriebssystems. Es ist zu beachten, dass bei Zugriff auf die Daten einer anderen Task u.u. nicht alle Daten aus dem gleichen Zyklus stammen. Wird das Anwenderprogramm in mehrere Task unterteilt, dann muss sichergestellt werden, dass die zur VerfÄgung stehende Rechenzeit nicht Äberschritten wird. Von der Gesamtrechenzeit muss die Systemzeit des Betriebssystems abgezogen werden. Beispiel Task 1 Zykluszeit 20 ms, Rechenzeit 10 ms Task 2 Zykluszeit 50 ms, Rechenzeit 30 ms Systemzeit ca. 5 % Die eingestellten Zykluszeiten künnen nicht eingehalten werden (Echtzeitfehler!). Task2 kann nur alle 100 ms aufgerufen werden! Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-20

21 1.5.4 Signale, Daten und Speicher Automatisierung bedeutet immer auch Signalverarbeitung. Signale sind TrÅger von Informationen aus dem zu automatisierenden ProzeÇ. Nach der Verarbeitung wird mit Signalen Äber Stellglieder in den Prozess eingegriffen. Aus der Sicht der Datenverarbeitung Äbertragen Signale Daten des Prozesses, und die Automatisierungseinrichtungen vollziehen eine Datenverarbeitung. Daten stehen fär Informationen und Werte. Dies erfordert die exakte Festlegung von Datenformaten. Neben binåren Signalen von Schaltelementen und digitalen Signalen (z.b. von Encodern) liegen analoge Signale in Form von Spannung, Strom, Druck, LichtintensitÅt, Temperatur u.a. vor. FÄr die Automatisierungseinrichtungen werden sie zu genormten Signalen (Äberwiegend Strom oder Spannung) gewandelt und digitalisiert. PrimÅr wird die Information von Signalen durch Amplitude, Frequenz oder Form des Signals dargestellt, in der Digitaltechnik ausschlieçlich durch eine Anzahl von Bits. Die CPU von AutomatisierungsgerÅten verarbeiten auschlieçlich binåre und digitale Signale (Daten). Dazu mässen diese auf bestimmten SpeicherplÅtzen abgelegt werden und Äber deren Adressen verfägbar sein. FÄr diese Aufgaben haben sich zwei Methoden entwickelt 1. Die SpeicherplÅtze mässen vom Anwender selbst mit Byte- und Bitadresse addressiert werden (absolute oder direkte Adressierung). Dies gilt z.b.fär das System Simatic S5 / S7 fär den Merker- und Datenbaustein-Bereich. Anstelle der absoluten Adressen kann der Anwender fär jedes Datum ein Symbol definieren. Die symbolische Adressierung ist der absoluten Adressierung vorzuziehen! 2. Das System adressiert seinen Datenspeicher selbst. Hier muç der Anwender fär alle Signale (Daten) Variablen deklarieren. Durch das Anlegen von Variablen mit zugeordnetem Datentyp werden die erforderlichen SpeicherplÅtze reserviert. Variablen wirken wie Platzhalter fär die Daten im Datenspeicher. Diese Adressierung erfolgt beispielsweise im System CoDeSys und wird nach IEC vorgeschrieben. Einzelheiten sind nachfolgenden Abschnitten zu entnehmen. Zuordnungsliste Prozess Steuerbit HALT ZÉhlerstand Wert Adresse M100.0 DB15.DBW10 Symbol HALT Werte CPU Vom Anwender adressierte SpeicherplÉtze z.b. M100.0 oder DB15.DBW10 oder symbolisch mit HALT oder Werte benutzt Vom System mittels Variablen adressierte SpeicherplÉtze z.b. HALTBOOL; oder Wert INT; Bild Prinzipien der Adressierung von Datenspeichern Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-21

22 In der Digitaltechnik wird der Informationsinhalt von digitalen Signalen durch eine Anzahl Bits festgelegt, die ausschlieçlich zwei ZustÅnde 0 und 1annehmen künnen. 0 bzw. FALSE bedeutet Strom oder Spannung nicht vorhanden 1 bzw. TRUE bedeutet Strom oder Spannung vorhanden Digitale Signale werden nach ihrer Breite eingeteilt. Dabei fungiert das Bit als kleinste Einheit. Es sind festgelegt Bit Kennung X SchlÄsselwort BOOL Byte 8 Bit breit Kennung B SchlÄsselwort BYTE Wort 16 Bit (2 Byte) breit Kennung W SchlÄsselwort WORD Doppelwort 32 Bit (4 Byte oder 2 Worte) breit KennungDW SchlÄsselwort DWORD Daneben bezeichen vier Byte eine Tedrade. Diese ist jedoch kein genormtes Datenformat Die Festlegung auf Byte als Basiseinheit fär grüçere Datenbreiten resultiert historisch aus der 8- Bit-Rechentechnik. Bit-, Byte-, Wort- und Doppelwort-Adressen werden nach folgenden Regeln festgelegt Adressieren eines BOOL / Bit) Byteadresse Bitadresse Adressieren eines BYTE Byteadresse Adressieren eines WORD Byteadresse des niederwertigen BYTE Adressieren eines DWORD Byteadresse des niederwertigsten der vier BYTE. Bildliche Darstellung Bit mit Wert 0 0 Bit mit Wert 1 1 Byte Bit Bit Bit Wort oder Wort 102 Byte 102 Byte 103 Bit Bit Bit Bit Bit Bit Bit Bit Bit Bit Bit Bit Darstellung Simatic Doppel- Wort 102 Byte 102 Byte 103 Byte 104 Byte 105 Darstellung Simatic Solche Adressen bezeichnen nicht die absolute Adresse im insgesamt verfägbaren Datenspeicher, sondern die ab Adresse 0 gezåhlte relative Adresse in einem bestimmten Adressbereich wie z.b. Merkerbereich. Nebenstehendes Beispiel erlåutert absolute und relative Adressierung im Datenbereich, dargestellt am Beispiel eines Merkerbereiches. Speicher Adresse AFF 0B01 0B02 0B03 Merkerbereich Adresse MB0 MB1 MB2 MB3 Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-22

23 Zur Speicherung von Betriebsystemen, Programmen und Daten verfägen klassische CPU Äber verschiedene interne und externe Speicher. Die Entwicklung der Speichertypen und grüçen ist sehr schnellebig! Intern Betriebssystem ROM Programmspeicher (Codespeicher) RAM Datenspeicher RAM Nullspannungsfester Datenspeicher EEPROM, Flash-ROM MMC Pufferbatterie EEPROM Extern Aktulle Technik Klassische Technik Bild MÜglichkeiten der Pufferung von Daten am Beispiel einer S7 - CPU Steckbare Micro Memory Card (MMC) Flash-ROM Steckbarer nullspannungsfester Programmspeicher EPROM und EEPROM (EEPROM s sind elektrisch beschreibbar und lüschbar. VorlÅufer vom Typ EPROM waren nur durch UV-Licht lüschbar. Flash-ROM unterscheiden sich in der Anwendung nicht von EEPROM, sondern nur durch ihre interne Adressierung. So kann dort nur blockweise adressiert werden.) Daneben wurden bisher der Programmspeicher und ausgewåhlte Datenbereiche mit einer Batterie gepuffert. Da mit Batterien Wartungsintervalle entstehen (typisch 1 Jahr), ist diese Technik nach MÜglichkeit nicht mehr einzusetzen! MMC machen Batterien zunehmend ÄberflÄssig. MMC sind Äber Kartenleser zu lesen und zu beschreiben. Sie Äbernehmen heute die Funktion des Ladespeichers von CPU, wodurch solche CPU ohne MMC nicht mehr arbeitsfåhig sind! Bei genägend groçer MMC-Karte kann zusåtzlich das gesamte Projekt einschlieçlich Kommentare, Symbole etc. abgespeichert werden. Damit liegt der Quellcode fär Servicezwecke am AutomatisierungsgerÅt bereit, kann vor den Arbeiten in das ProgrammiergerÅt geladen und nach VerÅnderungen zuräckgeschrieben werden! Die oft zu Problemen fährende Aufgabe der Ablage des aktuellen Quellcodes im Servicebetrieb entfållt dadurch! Beispiel Controller 841 WAGO-I/O-System 750 Speicherausbau Betriebssystem CODE-Speicher DATEN-Speicher RETAIN-Speicher (Nullspannungsfest) ROM 512k Flash-ROM ->RAM 128k RAM 24k EEPROM Bild Controller Prozessabbild ausgebaut fär 64 analoge oder digitale Klemmen bei gemischter Anordnung, erweiterbar bis 255 Klemmen Das Prozessabbild des Controllers enthålt damit in den Worten bzw. Wort die physikalischen Daten der Busklemmen. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-23

24 Beispiel CPU 315-2DP Stand 04/2005 System SimaticS7 Speicherausbau Arbeitsspeicher 128 k Programm 42 k Anweisungen Ladespeicher 64k... 8MB je nach MMC Merker 2048 Byte Timer 256 Zaehler Datenbausteine zu je 64 kbyte Bearbeitungszeiten Bitoperation 0,1s Wortoperation 0,2s Festpunktoperation 2 s Gleitpunktoperation 3 s Die klassischen Programmiersprachen Mit der Entwicklung der SPS-Technik wurden zuerst drei Programmiersprachen eingefährt Anweisungsliste AWL, Funktionsplan oder Funktionsbaustein-Sprache FUP / FBS und Kontaktplan KOP Anweisungsliste Die AWL ist eine zeilen- und textorientierte Sprache. Der Anwender muss die Syntax der Befehle selbst kennen, d.h. er kann nicht aus einer Liste von Befehlen per Mausklick auswåhlen. In AWL künnen Aufgaben effizient, elegant und individuell gelüst werden. Eine (maximal ausgefährte) Anweisung besteht aus Operation (auch Befehl genannt) Sprungmarke Operator Operand Kommentar Kennzeichen Adresse Nur bestimmte Programmiersysteme! Beispiel 1 MARK UN E 2.0 //Abfrage Lichtschranke oder mit Symbolvereinbarung Lichtschranke E2.0 Beispiel 2 MARK UN Lichtschranke Beispiel 3 LD Lichtschranke (*Abfrage Lichtschranke, Lichtschranke ist eine Variable vom Typ BOOL*) Die Sprungmarke erlaubt optional, diese Anweisung von anderer Stelle des Programms aus zu erreichen. In den Beispielen 1 und 2 ist der Name der Sprungmarke MARK Der Operator sagt aus, was getan werden soll. In den Beispielen werden die Operatoren UN bzw. LD verwendet. Der Operand sagt aus, womit dieses getan werden soll. Der Kommentar hat kein Auswirkungen auf das Programm und wird auch nicht zur Hardware Äbertragen. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-24

25 Funktionsplan Der Funktionsplan ist eine graphische Sprache und benutzt u.a. die bekannten Bausteine und Symbole von LogikplÅnen. Weitere Bausteine wurden ergånzt. Ein Vorzug von FUP ist, dass man die Operationen zumeist aus bereitgestellten Katalogen auswåhlen kann und dadurch nicht alle Einzelheiten der Operation selbst kennen muss. Beispiel eines FUP Darstellungsart Step7 E0.1 >1 T10 E0.2 S_EVERZ & E0.3 S DUAL MW20 S5T#10s TW DEZ #Anzeige A4.6 #Stopp R Q = Kontaktplan Die graphische Sprache Kontaktplan lehnt sich am Stromlaufplan kontaktbehafteter Steuerungstechnik an. Er kommt vor allem in den angelsåchsischen LÅndern als Leiter-Diagramm zum Einsatz, in Europa weiterhin auch in der Automobilindustrie. Ein Argument Durchgeschaltete Strompfade kann man Online am ProgrammiergerÅt auch von weitem erkennen. Auch im KOP wåhlt man die Operationen aus bereitgestellten Katalogen aus. Bei Verwendung komplexer Elemente wie Zeitgeber, ZÅhler, Datentransfer u.a. verlieren die Kontakte zunehmend an Bedeutung. Der KOP wird dann dem FUP sehr Åhnlich. Als Grundbausteine kennt der KOP drei Elemente Operand Signalabfrage auf 1 Dieser Strompfad wird geschlossen, wenn der Wert des Operanden TRUE ist. Achtung! Nicht formal mit SchlieÇer-Kontakt gleichsetzen! Operand Signalabfrage auf 0 Dieser Strompfad wird geschlossen, wenn der Wert des Operanden FALSE ist. Achtung! Nicht formal mit Oeffner-Kontakt gleichsetzen! Operand ( ) Operand ( S ) Spule Die Spule fährt Signal TRUE, wenn der Strompfad geschlossen ist. Das Spulenzeichen kann modifiziert werden, z.b. mit Eigenschaft Setzen oder RÄcksetzen Beispiel eines KOP Darstellungsart Step7 E1.0 E2.0 S5T#2S S_EVERZ S Q TW DUAL A2.0 ( ) R BCD Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-25

26 1.5.6 Hardware-Konfigurator und Programm-Editor Aktuell Programmiersysteme fär Automatisierungstechnik enthalten zumeist zwei grundsåtzliche Tools den Konfigurator fär Hardware den Editor fär Programme Mit dem Tool HW-Konfiguration werden Baugruppen aus einem Software-Katalog entnommen und ein Abbild der Automatisierungstechnik konfiguriert. In den Baugruppen werden sodann Eigenschaften und Bausteinparameter eingestellt (parametriert). WÅhrend vor Jahren Bausteinparameter mittels WickelbrÄcken, DIL-Schaltern oder LÜtbrÄcken eingestellt wurden, ist dies heute Äberwiegend online per Software Äblich. Zumeist gilt Alle HW-Baugruppen werden vom Hersteller mit Default-Einstellungen (= Vorbesetzte Einstellungen) ausgeliefert. Solange diese nicht veråndert werden mässen, kann auf besondere HW- Konfiguration verzichtet werden. Dies ist aber heute eher weniger der Fall. Insbesondere erfordert die Vernetzung von Baugruppen mit Bussystemen die Einstellung spezieller Parameter. Als Beispiel der HW-Konfiguration zeigt Bild die Arbeit mit dem Tool HW-Konfig des Systems Step7 bei der Konfiguration eines Profibus-DP- Netzes. Bild HW-Konfiguration im System Simatic S7/Step7. Im Detailbild rechts künnen die Eigenschaften der eingesetzten CPU parametriert werden. Mit dem Tool Programm-Editor werden nach Wahl einer Programmiersprache Programmanweisungen geschrieben. HierfÄr sind eine Vielzahl von Regeln einzuhalten, die in weiteren Abschnitten detailliert dargestellt werden. GrundsÅtzlich ist die Tendenz zu erkennen, Programmieren durch Parametrieren zu ersetzen, wo immer dies müglich ist. Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-26

27 1.5.7 Wichtige Begriffe zu Bauformen und Systemen Kompakt-SPS Sie enthålt Eingabe-, Verarbeitungs- und Ausgabeeinheit unverånderbar in einem GehÅuse. Kompakt-SPS werden zumeist im unteren Leistungsbereich eingesetzt. Allerdings wird das Konzept heute mit vielen Erweiterungsmodulen bereits unterlaufen. Beispiel Siemens Simatic S7-200 (im Bild Åltere (AusfÄhrung, die Software Step7 MicroWin ist nicht kompatibel zu Step7) SIEMENS SIMATIC S7-200 SF I0.0 I1.0 Q0.0 Q1.0 RUN I0.1 I1.1 Q0.1 Q1.1 STOP I0.2 I1.2 Q0.2 I0.3 I1.3 Q0.3 I0.4 I1.4 Q0.4 I0.5 I1.5 Q0.5 I0.6 Q0.6 I0.7 Q0.7 CPU 214 Bildquelle Siemens AG, Lehrgang SPS-Techniker Modulare SPS Eingabe-, Verarbeitungs- und Ausgabeeinheiten werden fär jede Applikation nach speziellen Leistungsanforderungen aus einem Pool von Kartenbaugruppen (KBG) zusammengestellt. Die KBG werden auf SteckplÅtzen von Rack s (Grundrahmen) montiert und Äber den RÄckwandbus der Rack s verbunden. Rack Beispiel Siemens Simatic S7-400 Bildquelle Siemens AG, Lehrgang SPS-Techniker Steckplatz Vernetzte SPS Ein grundsåtzlicher Trend der Automatisierungstechnik ist die Denzentralisierung. Automatisierungssysteme werden dabei in Module zerlegt, welche dann (heute håufig ohne Schaltschrank) dort angebaut werden, wo sie lokal benütigt werden. Durch Vernetzung mit einem Bussystem werden die Komponenten zu einem Gesamtsystem verschaltet. Die Komponenten künnen eigene Intelligenz besitzen oder aber lediglich als dezentrale Peripherie EingÅnge und AusgÅnge bereitstellen Beispiel Vernetztes SPS-Technik Simatic S7 mit Feldbus Profibus-DP In der Simatic-Welt erfolgen Vernetzungen in der Feld- und Automatisierungsebene bisher Äberwiegend mit dem Bussystem Profibus-DP. Dieses ist ein Master-Slave-System. Der Master ist eine SPS mit Profibus-DP-Schnittstelle oder ein spezieller Kommunikationsprozessor. Slave s künnen als intelligente Slave s eine eigene CPU haben oder aber als passiver Slave s lediglich dezentrale Peripherien aufbauen. Master Intelligenter Slave passive Slave Feldbus Profibus-DP zentrale Peripherie dezentrale Peripherie Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-27

28 Soft-SPS PC-based Automation Bei diesen Automatisierungssystemen arbeitet eine SPS-Software auf dem Prozessor eines industrietauglichen PC. Eingangs- und Ausgangsmodule fär die Sensorik bzw. Aktorik werden Äber Schnittstelle und Feldbusse angeschaltet. Bildquelle Siemens AG Industrie PC Hier låuft eine Runtime Lizenz eines SPS-Programms Bussystem zur Anschaltung von E / A Modulen (dezentrale Peripherie) Beispiel System Simatic PC-basierte Automation mit WinAC WinAC WinLC Windows Automation Center Automatisierungstechnik, die als Software- LÑsung auf IndustriePC mit Windows Betriebssystem abléuft. HierfÅr wird auch der Begriff PC basierte Automation benutzt. Als IndustriePC kñnnen PanelPC, HutschienenPC oder auch industrietaugliche StandardPC zum Einsatz kommen. Windows Logic Controller Im System WinAC ist WinLC die Software-Version einer SPS Simatic S7 ( Soft-SPS ). Sie ist kompatibel zu anderen Simatic Produkten wie WinCCflexible oder ProTool und kann mit anderen HW- SPS S7 / Step7 zusammenarbeiten. Insbesondere steuert WinLC Åber Profibus-DP eine dezentrale Peripherie (wie z.b. ETS 200). Die Kommunikationssysteme werden Åberwiegend Åber den Kommunikationsprozessor CP5611 angeschaltet- Industrietauglicher Standard PC WinCC flexible SPS S7 WinLC Dezentrale Peripherie CP 5611 S7-Kommunikation Industrial Ethernet Profibus-DP oder MPI Profibus-DP Beispiel eines Control-Panels einer Soft-SPS (hier Simatic WinLC) auf dem Bildschirm des PC Dieses sieht aus wie die Frontseite der CPU einer HW-SPS und wird per Mausklick wie die selbe bedient. Bildquelle Siemens AG Grundlagen der Automatisierungstechnik I 1. EinfÄhrung in die Automatisierungstechnik Seite 1-28