Steuerungsentwicklung

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1 Identifizierungs- und Automatisierungstechnik Steuerungsentwicklung Prof. Dr. Michael ten Hompel Sascha Feldhorst, Hubert Büchter Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen TU Dortmund

2 Steuerungsentwicklung Gliederung Einführung Klassifizierung Verknüpfungssteuerung Endliche Automaten Ablaufsteuerung Petri-Netze 2

3 Einordnung und Lernziele Begrifflichkeiten erlernen Unterschied zwischen Steuerung und Regelung verstehen Verschiedene Methoden und Modelle der Steuerungsentwicklung kennenlernen Verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für Steuerungsprogramme kennen 3

4 Einführung: Grundstruktur der Systeme (Wdh.) Automatisierte Systeme bestehen abstrakt aus: Automatisierter Prozess Automatisierungseinrichtung Bediener Zwischen beteiligten Komponenten besteht eine Informationsrückkopplung Nach [Lun07, S.17] 4

5 Einführung: Säulen der Automatisierung Geräte: Sensoren Aktoren Automatisierungsgeräte Methoden: e k d dt + + u Steuerung, z.b. Schaltalgebra Automatentheorie Regelung, z.b. Systemmodellierung Laplace-Transformation Bildquelle: [tfb08] 5

6 Einführung: Szenario Hallentor Beispiel: Hallentor Hallentor geführt in Metallschienen Betätigt durch Zugkette Nachteile: Mühsam Zeitaufwändig Mechanisierte Lösung: Mechanisieren der Torbewegung durch umschaltbaren Motor Einbau von Tastern Steuerung des Heben und Senkens durch Taster Nachteile: Zeitaufwändig Motor geht evtl. kaputt 6

7 Einführung: Szenario Hallentor Einfache Steuerung: Verbauen von Endschaltern Einsatz von Logik Nachteile: Einklemmungsgefahr Keine Zugriffskontrolle Komplexe Steuerung: Verbauen einer Lichtschranke Einsatz eines Schlüssels oder einer Fernbedienung Erweiterung der Logik Autorisierter Zugriff Überwachung des Durchgangsbereichs Bildquelle: [tfb08] 7

8 Einführung: Steuerungstechnik im Alltag Was macht eine Steuerung aus? Geistige Tätigkeiten einem technischen Gerät übertragen Steuerung von mechanisierten Operationen nach vorgegebenen Programmen Steuerungen sind in vielen Bereichen des täglichen Lebens vertreten, z.b. Motorsteuerung in Kraftfahrzeugen Garagentoröffner Jalousiesteuerung Wasch-/Spülmaschinen Steuerungsentwicklung ist eine Ingenieursdisziplin 8

9 Einführung: Beteiligte Disziplinen (Wdh.) Informatik (I) Maschinenbau (M) Elektrotechnik (E) Automatisierung ist ein ingenieurwissenschaftliches Fachgebiet Es vereint Methoden und Technologien verschiedener Disziplinen, z.b. Aktorik (E+M) Sensorik (E+M) Prozessrechentechnik (E+I) Kinematik (M) Modellierung Boolesche Algebra (I+E) Endliche Automaten (I+E) Petrinetze (I+E) Enge Verbindung mit Mechatronik 9

10 Einführung : Begriffliches Nach DIN gilt: Steuern ist der Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere variable Eingangsgrößen andere variable Ausgangsgrößen auf Grund der dem System eigenen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. Häufige Steuerungsaufgaben in der Logistik: Zielsteuerung Konfliktauflösung Positionierung Punkt-zu-Punkt-Steuerung 10

11 Klassifizierung: Hierarchischer Aufbau Steuerungen können verschiedene Zuständigkeitsbereiche haben Nach DIN Einzelsteuerung Gruppensteuerung Leit- und Hauptsteuerung Unterschiede: Informationsbedarf Zeitlicher Horizont 11

12 Klassifizierung: Zugehörige Systemebenen Steuerungen sind auf der Feld- und Prozessleitebene angesiedelt: Reaktionszeiten Ebenen zeitliche Reichweite Bildquelle: [tfb08, S.123] 12

13 Klassifizierung: Steuerung & Regelung Steuerungen werden auch als offene Steuerungsketten bezeichnet Regelungen dagegen arbeiten mit einer direkten Rückkopplung In der englischen Terminologie besser abzugrenzen Steuerung (= open-loop control) Regelung (= closed-loop control) Bildquelle: [tfb08] 13

14 Klassifizierung: Zustandslos und Zustandsbehaftet (Wdh.) Eine Steuerung kann über Gedächtnis verfügen Das Gedächtnis wird auch als Systemzustand bezeichnet Der Zustand setzt sich aus mehreren Zustandsgrößen zusammen Man kann Steuerungen einteilen in Zustandslose Steuerungen Eine Reihe von Eingangswerten führt immer zu den gleichen Ausgangswerten Zustandsbehaftete Steuerungen Die Ausgangswerte hängen immer von den Eingangswerten und den Zustandsgrößen ab Bildquelle; Grandel 14

15 Klassifizierung: Struktur Koordinierungskomponente Kommunikationssystem Kommunikationssystem Zentralsteuerung... dezentrale Steuerungskomponenten... dezentrale Steuerungskomponenten Prozess Prozess Prozess Zentral Hierarchisch Dezentral 15

16 Klassifizierung: Realisierungen Steuerungen können auf verschiedene Weisen realisiert werden, z.b. Als Schaltung Festverdrahtete Steuerung (Elektronische Schaltung) Verknüpfungssteuerung Als Programm in einem Mikrocontroller Als Programm in einer Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) 16

17 Verknüpfungssteuerung: Allgemeines Bezeichnet die Verknüpfung binärer Signale auf Basis der Schaltalgebra Merkmale: Kombinatorische Verknüpfung von Eingängen zur Bestimmung von Ausgängen Quasi-gleichzeitiges Durchlaufen aller Signalpfade Ohne Rückführung oder FlipFlop zustandslos Einsatzbeispiele: Verhindern unerlaubter Prozesszustände Sicherheitstechnik Zustandslose Steuerungen 17

18 Verknüpfungssteuerung: Grundfunktionen und ihre Gatter (Wdh.) Bezeichnung Gleichung Wahrheitstabelle Venn- Diagramm Schaltsymbol Umkehrung Negation A = E E A E A UND Konjunktion A = E 1 E 2 E1 E2 A E1 E2 & A E1 E2 A ODER Disjunktion A = E 1 E E1 E2 1 A

19 Verknüpfungssteuerung: Zusammengesetzte Operationen In der Praxis werden auch zusammengesetzte Operationen eingesetzt Beispiel: Exklusiv-ODER (Antivalenz) Beispiel: Äquivalenz Bildquelle: [tfb08] 19

20 Verknüpfungssteuerung: Speichern von Zuständen Zustände können durch Rückführungen in den logischen Schaltungen gespeichert werden Beispiel: Bildquelle: [tfb08] 20

21 Verknüpfungssteuerung: Realisierungsmöglichkeiten Als Schaltung, z.b. Relaisschaltung Zusammenschaltung logischer Gatter, meist in Form von Integrierten Schaltkreisen (ICs) Als Programm, z.b. In Form eines Funktionsplans Bildquelle: Audrius Meskauskas (unteres Bild) 21

22 Verknüpfungssteuerung: Realisierung der Hallentorsteuerung Benötigt werden zwei RS-Flip-Flops als Zustandsspeicher Signale: Eingang: E 1 = Endschalter unten gesetzt E 2 = Endschalter oben gesetzt T heben = Taster Heben gedrückt T senken = Taster Senken gedrückt L = Lichtschranke Durchgang gesetzt Ausgang: M heben = Motor in Vorwärtsrichtung starten M senken = Motor in Rückwärtsrichtung starten Bildquelle: [tfb08] 22

23 Verknüpfungssteuerung: Vereinfachung mit Verknüpfungsregeln Lange boolesche Terme führen zu komplexen Schaltnetzen z.b. (A B) (A B) Vereinfachung durch Anwendung der Verknüpfungsregeln: nach Morgan schem Gesetz: (A B) (A B) = (A B) (A B) aus A = A folgt: = (A B) (A B) nach Distributivgesetz: = A (B B) aus B B = 0 folgt: = A 0 nach Definition von : = A 23

24 Verknüpfungssteuerung: Vereinfachung mit Wahrheitstabellen Vereinfachung auch mithilfe von Wahrheitstabellen möglich, z.b. A B (A B) Nr. A B A (A B) (A B) (A B) (A B) (A B)

25 Verknüpfungssteuerung: Vereinfachung mit KV-Diagrammen Wahrheitstabelle) A B S DNF) S = (A B) (A B) KNF) S = (A B) (A B) KV-Diagramm) A B Vereinfachte DNF) S = A Vereinfachte KNF) S = A 25

26 Verknüpfungssteuerung: Regeln für KV-Diagramme (DNF-Sicht) Vorgehen: 1. Aus Term Wahrheitstabelle erstellen 2. DNF oder KNF bestimmen 3. KV-Diagramm zeichnen und füllen 4. Überdeckungen einzeichnen 5. Resultierenden Term ablesen Gruppen sind Überdeckungen von Zellen im KV-Diagramm Zusammen decken alle Gruppen alle Zellen mit Wert 1 ab Äußere Zellen eines KV-Diagramms können zu Gruppen miteinander verbunden werden Für eine Gruppe gilt: Enthält keine Zellen mit Wert 0 Verläuft nur horizontal und/oder vertikal (nicht diagonal) Anzahl überdeckter Zelle ist eine 2er- Potenz (2 n ) Ist möglichst groß (möglichst wenig Gruppen) Kann sich mit anderen Gruppen überlappen 26

27 Verknüpfungssteuerung: KV-Diagramme mit 3 Parametern Wahrheitstabelle) A B C S DNF) S = (A B C) (A B C ) (A B C) (A B C ) (A B C) KNF) S = (A B C) (A B C ) (A B C) 27

28 Verknüpfungssteuerung: KV-Diagramme mit 3 Parametern lösen AB C Vereinfachte DNF) S = A (B C) Vereinfachte KNF) S = (A B) (A C) 28

29 Endliche Automaten: Allgemeines Ein Automat ist ein abstraktes Modell einer Maschine (Schaltwerk) Merkmale: Sequentielles Schaltwerk, d.h. die Bearbeitung der Eingangssignale erfolgt schrittweise Besteht aus Zuständen und Übergängen Gedächtnis" vorhanden (Zustandsbehaftet) Ausprägungen: Allgemeine Form (kurz: DEA) Mealy-Automaten Moore-Automaten 29

30 Endliche Automaten: Mealy-Automat Spezielle Form eines endlichen Automaten Hauptunterschied zu DEA: Ausgabefunktion abhängig von Eingabe u. Zustand Definiert durch 6-Bestandteile Symbol S Beschreibung Endliche Zustandsmenge Endliche Menge von Eingabezeichen Endliche Menge von Ausgabezeichen Übergangsfunktion Ausgabefunktion s 0 Startzustand Bildquelle: Nikolaus Mayer (wikipedia.de) 30

31 Endliche Automaten: Realisierung der Hallentorsteuerung Steuerung des Hallentors lässt sich als Mealy-Automat darstellen Hier einfache Steuerungslogik (s. Folie 7) Bestandteile und Darstellung: Symbol Inhalt S 1, 2, 3, 4 T h, T s,e 1, E 2 M h, M s s 0 1 Übergangs- und Ausgabefunktionen können der Abbildung entnommen werden 31

32 Endliche Automaten: Realisierung als Mealy-Automat 32

33 Endliche Automaten: Moore-Automat Spezielle Form eines endlichen Automaten Hauptunterschied zu Mealy-Automat: Ausgabefunktion nur abhängig vom Zustand Definiert durch 6-Bestandteile Symbol S Beschreibung Endliche Zustandsmenge Endliche Menge von Eingabezeichen Endliche Menge von Ausgabezeichen Übergangsfunktion Ausgabefunktion s 0 Startzustand Bildquelle: Nikolaus Mayer (wikipedia.de) 33

34 Endliche Automaten: Realisierung der Hallentorsteuerung Einfache Torsteuerung auch als Moore-Automat darstellbar Bestandteile und Darstellung: Symbol Inhalt S 1, 2, 3, 4 T h, T s,e 1, E 2 M h, M s s 0 1 Übergangs- und Ausgabefunktionen können der Abbildung entnommen werden 34

35 Endliche Automaten: Realisierung als Moore-Automat 35

36 Ablaufsteuerung: Allgemeines Ablaufsteuerung (oder Schrittkette) ist ein verbreitetes Konzept zur Steuerungsentwicklung Ähnlichkeit zu Bedingungs-Ereignis-Netzen Für komplexere Fälle oft besser geeignet als Verknüpfungssteuerung Endliche Automaten Bestandteile: Schritte Transitionen (Schaltbedingung: Logische Verknüpfung) Bildquelle: [tfb08] 36

37 Ablaufsteuerung: Schaltregeln Ein Schritt entspricht einem Zustand Schritt wird ausgeführt, wenn Vorangehender Schritt ausgeführt ist Vorgelagerte Weiterschaltbedingung erfüllt ist Ablaufvarianten: Linearer Ablauf Verzweigungen Alternativ (obere Abb.) Parallel (untere Abb.) Schleifen Realisierung häufig als Programm Ablaufsprache (AS) nach IEC Bildquelle: [tfb08] 37

38 Ablaufsteuerung: Realisierung der Hallentorsteuerung 38

39 Petri-Netze: Allgemeines Erweiterung von endlichen Automaten Unterstützten nicht nur einen Zustand, sondern auch Nebenläufigkeit Betrachtete Petri-Netz-Variante: Bedingungs-Ereignis-Netz (BE-Netz) Bestandteile: Knoten Bedingungen (oder Stelle) Transitionen Gerichtete Kanten Marken Bildquelle: [tfb08] 39

40 Petri-Netze: Regeln Pfeile sind nur zwischen unterschiedlichen Knotentypen erlaubt, z.b. Transition -> Bedingung Schaltregeln: Eine Transition kann nur schalten, wenn alle Vorbedingungen erfüllt sind Transition erfolgt ohne Zeitverzug Aus n Marken der Vorbedingungen werden m Marken der Nachbedingung Bildquelle: [tfb08] 40

41 Petri-Netze: Beispiel RBG liefert Paletten an Verteilwagen Übergabeplatz darf maximal eine Palette (Marke) enthalten RBG und Verteilwagen können unabhängig von einander arbeiten (Nebenläufigkeit) Falls mehrere Transitionen schaltbar sind, wird zufällig eine ausgewählt Bildquelle: Frei nach [tfb08] 41

42 Zusammenfassung: Jeder Anwendung ihre Methode Kein Gedächtnis Verknüpfungssteuerung (ohne Rückführung) Gedächtnis DEA Mealy Moore Gedächtnis + Nebenläufigkeit Ablaufsteuerung Petrinetze Die richtige Methode für die gegebene Anwendung 42

43 Ergänzende Literatur [Fav04] Favre-Bulle, Bernard (2004): Automatisierung komplexer Industrieprozesse. Systeme, Verfahren und Informationsmanagement: Springer Wien. [Lun07] Lunze, Jan (2007): Automatisierungstechnik. Methoden für die Überwachung und Steuerung kontinuierlicher und ereignisdiskreter Systeme. Oldenbourg. [BHT+05] Heinrich, Berthold et al. (2005): Messen - Steuern - Regeln. Elemente der Automatisierungstechnik. Vieweg + Teubner. 43

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

45 Ansprechpartner Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen LogistikCampus Joseph-von-Fraunhofer-Str Dortmund Telefon: Fax: Prof. Dr. Michael ten Hompel Mojtaba Masoudinejad, M.Sc. Telefon: Lehrstuhl für Förder-und Lagerwesen Technische Universität Dortmund Prof. Dr. Michael ten Hompel 45