Speicherprogrammierbare Steuerungen für die Fabrik- und Prozessautomation

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1 Matthias Seitz Speicherprogrammierbare Steuerungen für die Fabrik- und Prozessautomation Strukturierte und objektorientierte SPS-Programmierung, Motion Control, Sicherheit, vertikale Integration 3., überarbeitete und ergänzte Auflage

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4 Matthias Seitz Speicherprogrammierbare Steuerungen für die Fabrik- und Prozessautomation Strukturierte und objektorientierte SPS-Programmierung, Motion Control, Sicherheit, vertikale Integration 3., überarbeitete und ergänzte Auflage Mit 209 Bildern, 27 Tabellen, 62 Beispielen und 49 Übungsaufgaben sowie einer begleitenden Internetseite unter Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

5 Prof. Dr.-Ing. Matthias Seitz Fachgebiet Elektronische Steuerungstechnik Institut für Automatisierungssysteme Hochschule Mannheim Paul-Wittsack-Straße 10, Mannheim Alle in diesem Buch enthaltenen Programme, Verfahren und elektronischen Schaltungen wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund ist das im vorliegenden Buch enthaltene Programm-Material mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN: E-Book-ISBN: Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden Carl Hanser Verlag München Internet: Lektorat: Dr. Martin Feuchte Herstellung: Dipl.-Ing. Franziska Kaufmann Umschlag-Hintergrundmotiv: ABB Automation GmbH Coverconcept: Marc Müller-Bremer, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Friedrich Pustet KG, Regensburg Printed in Germany

6 Vorwort Der Begriff Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) mag dem einen oder anderen ein wenig kompliziert oder sogar antiquiert vorkommen. Er beschreibt aber ein immer noch modernes und in der Industrie vielfach eingesetztes Automatisierungsgerät. Das vorliegende Buch will dem Leser einen Leitfaden an die Hand geben, wie er typische Aufgaben der Fabrik- und Prozessautomatisierung mit speicherprogrammierbaren Steuerungen lösen kann. Dabei wird sowohl der Systemaufbau als auch die Programmierung speicherprogrammierbarer Steuerungen behandelt. Zunächst wird der prinzipielle Hardware-Aufbau von SPSen in Kapitel 2 erläutert. Im weiteren Verlauf des Buchs wird die Zusammenschaltung mehrerer SPSen mit PCbasierten Systemen betrachtet. Damit wird einerseits die Bedienung und Beobachtung des automatisierten Prozesses möglich. Andererseits können dadurch komplexe Fertigungs- bzw. Prozessleitsysteme entstehen, die die Planung, Steuerung und Überwachung ganzer Produktionsbetriebe automatisieren (s. Kapitel 9). Für die Automatisierung von Fertigungsstraßen, in denen schnelle synchrone Bewegungen von Robotern, Förderbändern und Bearbeitungsmaschinen ausgeführt werden müssen, wird in Kapitel 7 das Zusammenspiel von SPSen mit Robot-Control-, Machine-Vision- und Motion- Control-Systemen behandelt. Somit erhält der Leser einen umfassenden Überblick über die gängigen Systemstrukturen industrieller Automatisierungssysteme. Im Mittelpunkt des Buchs steht dann aber die SPS-Programmierung nach IEC Sie ist nicht nur Grundlage zur Programmierung von SPSen, sondern von fast allen industriellen Automatisierungssystemen, angefangen von Prozessleitsystemen für die Prozessautomation über Motion-Control-Systeme in der Fertigungsautomatisierung bis hin zu einigen Mikrocomputern. Das Buch versucht, den Stoff anwendungsorientiert zu vermitteln. Dabei wird nur am Rande auf die Programmiersysteme einzelner Hersteller und deren Programmiersyntax eingegangen, sondern im Vordergrund steht die Umsetzung einer verbalen Aufgabenstellung in SPS-Software. Hierfür wird eine Systematik vorgestellt, die eine objektorientierte Softwarestrukturierung vorschlägt (s. Kapitel 3), verschiedene Entwurfsverfahren zum Logikentwurf beschreibt (s. Kapitel 4-7) und die Programmierung strukturiert (s. Kapitel 4+5) oder objektorientiert vornimmt (s. Kapitel 6). Um die Software zuverlässig und nachvollziehbar entwickeln zu können, wurden folgende Entwurfsverfahren aus der Informatik für SPS-Programme angepasst: Automatenentwurf zur Programmierung von Verknüpfungssteuerungen (s. Kapitel 4), Petri-Netze zur Programmierung paralleler Ablaufsteuerungen (s. Kapitel 5), Structured Analysis and Design Technique (SADT) zur Programmierung flexibler Rezeptsteuerungen (s. Kapitel 6).

7 6 Vorwort Da der Ingenieur auch Verantwortung für die Sicherheit der automatisierten Anlagen trägt, werden in Kapitel 8 Methoden zur Risikoeinschätzung, Fehlervermeidung und Fehlerbeherrschung beschrieben. Die vorliegende dritte Auflage wurde komplett überarbeitet. Die Beispiel- und Übungsprogramme wurden auf die neue Version 3 des SPS-Programmiersystems CoDeSys umgestellt. Alle Programme sind aber systemneutral konzipiert, d. h. sie können prinzipiell in jedem Programmiersystem (CoDeSys, STEP7 o.a.) so wie im Text beschrieben umgesetzt werden. Neu aufgenommen wurde das Kapitel 6 zur objektorientierten SPS- Programmierung. Zahlreiche Beispiele, Übungen und Wiederholungsfragen unterstützen den Leser beim Erlernen der erläuterten Methoden und Werkzeuge. Da die Firma 3S das Programmiersystem CoDeSys zum kostenlosen Download zur Verfügung stellt, wurden sämtliche Beispiele und Übungsaufgaben damit erstellt. Sie stehen auf der Internetseite zum Download und zur Simulation mit CoDeSys zur Verfügung ebenso wie eine Bausteinbibliothek für den praktischen Einsatz. Die Internetseite soll dem Leser als SPS- Lern- und -Übungsseite dienen, um mit Hilfe von Frage-Antwortspielen, Flash-Filmen zur Bedienungsanleitung, Beispielprogrammen und Übungsaufgaben Erfahrung im System- und Programmentwurf für SPSen zu gewinnen. In diesem Zusammenhang bedanke ich mich bei der Firma 3S Smart Software Solutions GmbH für die Bereitstellung des SPS-Programmiersystems CoDeSys und bei den Firmen ABB, NetXautomation, Siemens, TheImagingScource und Wonderware für die Bereitstellung von Software und Bildmaterial. Insbesondere gilt mein Dank Herrn H.-P. Gahr von der Ausbildungsabteilung der BASF für Informationen zu der TeKa-Demonstrationsanlage und Herrn Dipl.-Ing. U. Jülly von der Firma HIMA Paul Hildebrand GmbH für Informationen über sicherheitsgerichtete SPSen. Herrn Dr. M. Feuchte und Frau Dipl.-Ing. F. Kaufmann vom Hanser Verlag danke ich herzlich für die Übernahme des Lektorats bzw. die Herstellung des Buchs. Besonderen Dank für viele fruchtbare Diskussionen und die Durchsicht von Teilen des Manuskripts verdienen mein Vater Dipl.-Ing. M. Seitz, Frau Prof. Dr. A. Weigl-Seitz und Herr Prof. Dr. K. Kleinmann von der Hochschule Darmstadt sowie meine Kollegen von der Hochschule Mannheim Prof. Dr. C. Hübner, Prof. Dr. M. Junker, Prof. Dr. G. Lipphardt, Prof. Dr. G. van de Logt und nicht zuletzt Herr Dipl.-Ing. H. Peter, Laborbetriebsleiter des Instituts für Automatisierungssysteme, mit dem mich eine enge Zusammenarbeit auf dem Gebiet der SPS-Technik verbindet. Schließlich gilt mein Dank meinen Studierenden für die Mitarbeit an den Programmierübungen und den vielen Lesern, die durch ihre Rückmeldungen zur Verbesserung der Darstellung und Korrektur von Fehlern beigetragen haben. Mannheim, Juni 2012 Matthias Seitz

8 Inhaltsverzeichnis Vorwort 5 Inhaltsverzeichnis 7 Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole 11 1 Einleitung Definition einer Steuerung Aufgabengebiete in der Steuerungstechnik Einsatzfelder für Steuerungen Tätigkeitsfelder des Steuerungstechnikers Steuereinrichtungen Entwicklung der Steuerungstechnik Stand der Technik Übungen zu Kapitel Aufbau und Strukturen industrieller Steuerungen Aufbau einer SPS SPS-Arten Informationsverarbeitung in der SPS Konventionelle Anbindung der Feldgeräte Binäre Eingänge der SPS Binäre Ausgänge der SPS Analoge Eingänge der SPS Analoge Ausgänge der SPS Busankopplung der Feldgeräte Feldbussysteme und -strukturen Datenübertragung in Feldbussystemen Bedienen und Beobachten Prozessvisualisierung Ankopplung von Visualisierungssystemen an SPSen Datenaustausch durch OPC Übungen zu Kapitel Strukturierte SPS-Programmierung nach IEC Das Softwaremodell Steuerungskonfiguration und Ressourcen Tasks Programmorganisationseinheiten Variablen Das Kommunikationsmodell Datenaustausch innerhalb eines Programms Datenaustausch zwischen Programmen... 58

9 8 Inhaltsverzeichnis 3.3 Das Programmiermodell Programmiersprachen Anwender-Datentypen Anwender-Funktionsbausteine Strukturierte Programmierung in der Automatisierungstechnik Objektorientierte Softwarestrukturierung Vorgehensweise bei der strukturierten Programmierung Übungen zu Kapitel Verknüpfungssteuerungen Entwurf von Schaltnetzen Wahrheitstabelle Karnaugh-Veitch-Diagramme Entwurf von Schaltwerken Speicherschaltungen mit Flip-Flops Zählschaltungen mit Countern Zeitschaltungen mit Timern Automatenentwurf Automatenentwurf mit Einzelsteuerfunktionsbausteinen Einzelsteuerfunktionen Motorbausteine Ventilbausteine Schutzmaßnahmen Betriebsartenkonzepte Analogwertverarbeitung Regelungen Schaltende Regler Reglerbetriebsarten Kontinuierliche Regler Übungen zu Kapitel Ablaufsteuerungen Aufbau von Schrittketten Aktionen und Transitionen Strukturen von Schrittketten Entwurf und Analyse von Ablaufketten Kommunikation zwischen Ablauf- und Verknüpfungssteuerungen Schutzfunktionen und Betriebsarten HALT und ABBRUCH einer Ablaufkette Betriebsarten Steuerungsentwurf für parallele Prozessabläufe Modellierung paralleler Prozessabläufe durch Petri-Netze Algebraischer Entwurf zur Koordination paralleler Prozesse Programmentwurf aus Petri-Netzen Übungen zu Kapitel Objektorientierte SPS-Programmierung Einsatz von Methoden und Eigenschaften Klassen und Objekte

10 Inhaltsverzeichnis Vererbung Objektorientierte Ansteuerung der Feldgeräte Ablaufsteuerungen mit Methoden und Eigenschaften Standardisierung durch Schnittstellen Anlagenneutrale Ablaufsteuerung Rezeptsteuerung mit polymorphen Grundfunktionen Entwurf von Rezeptsteuerungen Prozessanalyse Rezeptsynthese Vor- und Nachteile der objektorientierten SPS-Programmierung Übungen zu Kapitel Bewegungssteuerungen Motion-Control-Systeme Aufbau von Motion-Control-Systemen Komponenten von Motion-Control-Systemen Standard-Funktionsbausteine in Motion-Control-Systemen Steuerung einer Bewegungsachse Interpolation Lageregelung Steuerung von Werkzeugmaschinen Bahnplanung durch CNC-Programmierung Bewegungsvorgaben durch Kurvenscheiben Robotersteuerungen Koordinatentransformation Programmierung von Bewegungsabläufen Bildverarbeitung zur Steuerung von Robotern Übungen zu Kapitel Sicherheitskonzepte für Steuerungen Gefahrenanalyse und Gegenmaßnahmen Ereignisbaumanalyse Fehlerbaumanalyse Risikoanalyse Gegenmaßnahmen Sicherheitsgerichtete Steuerungen Redundanz und Diversität Aufbau sicherheitsgerichteter SPSen (SSPSen) Sicherheitsgerichtete Feldbussysteme Engineering zuverlässiger Steuerungen Gute Automatisierungspraxis Planung und Projektierung Realisierung der Hard- und Software Inbetriebnahme und Verifizierung Wartung und Instandhaltung Übungen zu Kapitel

11 10 Inhaltsverzeichnis 9 Vertikale Integration betrieblicher Abläufe Horizontale Integration der Feld- und Steuerungsebene Vernetzung mit Feldbus Werkzeuge zur Netzwerkintegration Vernetzung mit Industrial Ethernet Vertikale Integration mit den höheren Ebenen Ethernet TCP/IP OPC-Kopplung Internet in der Automatisierungstechnik Prozessleitsysteme Integrierte Betriebsführung Betriebsdateninformationssysteme Produktionsplanung und -steuerung Ausführung von Steuerrezepten Lagerverwaltungssysteme Supply Chain Management Übungen zu Kapitel Fazit Systematischer Programmentwurf Modularer Systementwurf Ausblick: Effizienteres Engineering Anhang 255 A Übersicht der automatisierten Beispielanlagen B Funktionsbaustein-Bibliotheken C Wichtige Standard-Funktionsbausteine und Standard-Funktionen D Strukturierte Programmierung mit STEP E Fachbegriffe deutsch/englisch Literaturverzeichnis 267 Stichwortverzeichnis 271 Hinweise zur Internetseite 280

12 Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole Programm in CoDeSys mit Simulation auf der Internetseite Ende eines Beispiels -o Negation &, UND-Verknüpfung 1, ODER-Verknüpfung 1oo2 eines von zwei Systemen muss ausfallen, um die Sicherheitsabschaltung auszulösen a Beschleunigung A Aufenthaltsdauer von Personen im Gefahrenbereich A Ausgangsschaltnetz AA analoger Ausgang AB Anlagenbereich ABK Anzeige- und Bedienkomponente AC Alternating Current A/D Analog-/Digital AE analoger Eingang AH Alarm bei oberem Grenzwert AIN Analog Input AL Alarm bei unterem Grenzwert AOUT Analog Output AS Ablaufsprache ASI Aktor-Sensor-Interface AUT Betriebsart Automatik AWL Anweisungsliste b Randbedingungsvektor b x, b y Bildkoordinaten in mm BA binärer Ausgang BDA Betriebsdatenauswertung BDE Betriebsdatenerfassung BDIS Betriebsdateninformationssystem BE binärer Eingang BF Basic Function BIN Binary Input C c CAN CFC CPU CNC CRC CSMA/ CD CTD CTU CTUD CV d D D/A DB DC DIN DNF DP e E E/A EDD EMV EMSR EEPROM ERP ESF ETH ETA EVA Kapazität eines Kondensators spezifische Wärmekapazität Controller Area Network Continuous Function Chart Central Processing Unit Computerized Numerical Control Cyclic Redundancy Check Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection Count-Down-Zähler Count-Up-Zähler Count-Up-and-Down-Zähler Counted Value Durchmesser Diagnosefunktion in SSPSen Digital-/Analog Datenbank Direct Current (Gleichstrom) Deutsches Institut für Normung disjunktive Normalform dezentrale Peripherie Regeldifferenz Eingangsschaltnetz Ein-/Ausgang Electronic Device Description elektromagnetische Verträglichkeit Elektro-, Mess-, Steuer- und Regeltechnik Electrically Erasable Programmable Read Only Memory Enterprise Ressource Planning Einzelsteuerfunktion Ethernet Event Tree Analysis Einlesen, Verarbeiten, Ausgeben

13 12 Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole Ex EXT f F FB FB FBS FC FIC FTA FTP FUP G G GF GS GIC GIS GOP GSD h H H HAZOP HMI HTML HTTP HW I IDF IEC INT I/O IP k K Explosionsschutz Betriebsart externe Sollwertvorgabe Brennweite einer Kameralinse Flow (Durchflussmessung) Feldbus Function Block Funktionsbausteinsprache Function Code (Funktion) Durchflussregler Fault Tree Analysis File Transfer Protocol Funktionsplan Gauging Gefahrenabwendungsmaßnahme Grundfunktion binärer Endschalter Positionsregler Gauging Indication (analoge Positionsmessung oder -zählung) Grundoperation Geräte-Stammdatei Höhe Auftrittshäufigkeit eines Schadens Halteglieder im Moore-Automaten Hazards and Operability Human Machine Interface Hyper Text Markup Language Hyper Text Transmission Protocol Hardware elektrische Stromstärke Individual Drive Function International Electrotechnical Commission Betriebsart interne Sollwertvorgabe Input-/Output Internet Protocol diskreter Zeitpunkt Prozessverstärkung x /y K P KNF KOP KV KW Λ L L l λ LDIS LIC LIS LOC LS LSH LVS LWL m m m i M M M i MAN MC MES MMI MV n N N N NC NS OB1 OLE OOP OPC Verstärkungsfaktor des Reglers konjunktive Normalform Kontaktplan Karnaugh-Veitch-Diagramm Kaltwasser Komplexität einer Schaltung Level (Füllstandsmessung) Randbedingungsmatrix Länge Faktor in Pixel/mm Labordateninformationssystem Füllstandsregler Level Indication Switching (analoge Füllstandsmessung mit Grenzwertabschaltung) Betriebsart vor Ort (local) binärer Niveauschalter Überlaufabschalter Lagerverwaltungssystem Lichtwellenleiter Anzahl von Nutzdatenbytes Masse Minterme Anzahl von Ausgängen Motor Maxterme Betriebsart Manuell Motion Control Manufacturing Execution System Man-Machine Interface Manipulating Value (Stellwert) Anzahl der Busteilnehmer Anzahl von Eingängen Petri-Netzmatrix nicht speichernd geregelter Antrieb Ein/Aus-Motor Organisationsbaustein (main in Step 7) Object Linking and Embedding Objektorientierte Programmierung OLE for Process Control

14 Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole 13 P PSH P p PA PAC PAM PCE PFD PFH PG PID PLC_PRG PLS PL POE PPI PPS PQ PV PROFIBUS PS PT PWM q Q QM R R RC RIO RS RS RS232 RS485 RAM s s S S Pressure (Druck) Überdruckabschalter Power (elektrische Leistung) Positionsvektor Process Automation Programmable Automation Controller Plant Asset Management Process Control Engineering Probability of Failure on Demand Probability of Failure per Hour Programmiergerät Proportional-Integral- Differenzial-Glied Hauptprogramm in CoDeSys Prozessleitsystem Performance Level Programmorganisationseinheit Point-to-Point Interface Produktionsplanung und -steuerung Produktionsqualifizierung Process Value (Istwert) Process Field Bus Power Supply Preset Time Pulsweitenmodulation Gelenkkoordinatenvektor Wärmemenge Qualitätsmanagement ohmscher Widerstand rücksetzend Robot Control Remote I/O serielle Schnittstelle rücksetzdominantes Flip-Flop Standards für serielle Schnittstellen Random Access Memory Weg Schrittvektor Schaltvorgang Schadensausmaß bei Risikoanalyse S SADT SEL SEVA SFC SH SIL SL SO SP SPS SQL SSPS SR SRIO SSL ST SW t t T T TCP TeKa TI TIC TIPP TS T 0 T D T g T I t IPO T N T u T V TON TP TOF setzend Structure Analysis and Design Technique Funktionsbaustein zur Auswahl sofort ein, verzögert aus Sequential Function Chart Abschaltung bei oberem Grenzwert Safety Integrity Level Abschaltung bei unterem Grenzwert binäre Schaltmeldung Set Point (Sollwert) speicherprogrammierbare Steuerung Structured Query Language sicherheitsgerichtete SPS setzdominantes Flip-Flop sicherheitsgerichtete RIO Secure Sockets Layer strukturierter Text Software Zeit Transitionsvektor transponiert Temperatur Transmission Control Protocol Anlage zur Herstellung von Tee und Kaffee Temperature Indication (analoge Temperaturmessung) Temperaturregler Betriebsart Tippen für Ablaufketten Temperaturschalter Abtastzeit Differenzialzeit Ausgleichszeit Integralzeit Interpolationszeit Nachstellzeit Verzugszeit Vorhaltezeit Einschaltverzögerung Puls-Timer Ausschaltverzögerung

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