Vorlesung "Steuerungstechnik, Regelungstechnik und industrielle Kommunikation" (Qualifizierung Ingenieure Mechatronik - QIM)

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1 Fachhochschule Merseburg Fachbereich Elektrotechnik, Informationstechnik und Medien Automatisierungstechnik Prof. Dr. habil. W. Kriesel Vorlesung "Steuerungstechnik, Regelungstechnik und industrielle Kommunikation" (Qualifizierung Ingenieure Mechatronik - QIM) 0 Problemorientierung und Gesamtüberblick 1 Grundlagen: Kombinatorische und sequentielle Steuerungen 1.1 Übersicht 1.2 Logische Grundglieder und Schaltalgebra Logische Grundfunktionen - Beschreibungsmöglichkeiten Grundbeziehungen aus der Schaltalgebra 1.3 Grundlegende Programmnotationen: FUP, KOP, AWL 1.4 Überblick: Automatisierungssysteme SIMATIC S5 und S7 2 Programmierung von SPSen mit der Sprache STEP Binäre Funktionen / Basisfunktionen Binäre Verknüpfungen Speicherfunktionen (RS-Flipflop) Zeitfunktionen (Timer) Zählfunktionen (Counter) 2.2 Programmstruktur Bausteinkopplung Bausteinarten Organisations- und Programmbausteine, Netzwerke 2.3 Programmabarbeitung Zyklische Abarbeitung Interruptbearbeitung 2.4 Digitale Funktionen: Wortverarbeitung Zahlendarstellungen Lade- und Transferfunktionen Vergleichsfunktionen Arithmetische Funktionen Digitalverknüpfungen 2.5 Funktionsbausteine Aufbau Substitutionsanweisungen Parametrierung und Versorgung Standard-Funktionsbausteine 2.6 Peripherie- und Regelungsfunktionen Digitale Ein-/Ausgabe-Baugruppen Analoge Ein-/Ausgabe-Baugruppen

2 2.6.3 Regelungsfunktionen mit SPSen 3 Grundlagen für Regelungssysteme 3.1 Einführung Notwendigkeit von Regelungen Grundregelkreis 3.2 Regelkreisglieder - statisches und dynamisches Verhalten Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Sprungantwort und Übergangsfunktion elementarer Regelkreisglieder (P, PTn, I, D, Tt, PT2S) Hinweis auf andere Beschreibungsmöglichkeiten (Frequenzgang, Übertragungsfunktion) 3.3 Regler Einteilung Zwei- und Dreipunktregler Stetige Regler (Grundtypen) P-Regler PI-Regler PID-Regler Reglerauswahl nach dem Schwierigkeitsgrad der Regelstrecke Industrielle Regeleinrichtungen (Geräte auf Mikrorechnerbasis) 3.4 Verhalten geschlossener Regelkreise Stabilität von Regelungen Güte von Regelungen / Einstellregeln: Dauerschwingungsversuch nach Ziegler / Nichols Einstellwerte aus der Sprungantwort (nach Chien / Hrones / Reswick) Statische Regelkreis - Einstellung (Arbeitspunkt) Mehrschleifige Regelkreise (Kaskaden - Regelung) 3.5 Anwendungsfall: Antriebssysteme für Industrieroboter 4 Programmierung von SPSen mit der Sprache STEP Vergleich S5/S7-Technik: Automatisierungssystem SIMATIC S7-200/300/ Programmiermerkmale: Programmiersoftware STEP Programmiersprache AWL: Datentypen; Operationsvorrat 4.4 Basisfunktionen / Binäre Funktionen Binäre Verknüpfungen Speicherfunktionen Lade-, Transfer- und Akkumulatorfunktionen Zeitfunktionen (Timer) Zählfunktionen (Counter) 4.5 Programmstruktur Bausteinarten Bausteinaufrufe 4.6 Digitale Funktionen: Wortverarbeitung Vergleichsfunktionen Arithmetische Funktionen

3 4.6.3 Digitalverknüpfungen / Wortverknüpfungen 5 Programmiersystem nach Norm IEC / DIN EN Internationaler Standard mit 5 Notationen (Sprachen) 5.2 Allgemeine Spracheigenschaften für alle IEC-Sprachen Softwaremodell: Konfiguration, Ressource, Task, Programm, Funktionsbaustein, Funktion Einfache Beispielprogramme Standard-Operatoren und Standard-Funktionen 5.3 Komplexbeispiele zur Anwendung der einzelnen IEC-Programmiersprachen Funktionsbausteinsprache (FBS; FUP / FBD) Kontaktplan (KOP / LD) Anweisungsliste (AWL / IL) Strukturierter Text (ST / ST; SCL) Ablaufsprache (AS / SFC) Hinweise auf Anwendungen für Industrierobotersteuerungen 6 Kompakt-Leitsysteme auf SPS-Grundlage - Aufbau, Funktion und Anwendung 6.1 Systemarchitektur Prozessstationen auf SPS-Basis Systemkommunikation (Bussysteme) zur Vernetzung Leitebene: Beobachtung und Bedienung (Mensch-Maschine-Interface) 6.2 Konfigurierung und Inbetriebnahme Engineering-Station zur Konfigurierung nach IEC Konfigurierung der Automatisierungsfunktionen (Regler, SPSen) Konfigurierung der Beobachtungs- und Bedienfunktionen 7 Industrielle Kommunikationssysteme (Bussysteme) zur Vernetzung von Steuerungen 7.1 Bussysteme: Einteilung, Grundstrukturen und Anforderungen Buszugriffsverfahren Zufälliger Buszugriff: CSMA/CD; CSMA/CA Kontrollierter Buszugriff: Master-Slave (Polling); Token-Passing Telegrammaufbau, Übertragungsgeschwindigkeit und Echtzeitverhalten Zuverlässigkeit: Datensicherung, Fehlererkennung, automatische Reaktionen Elektrische und optische Schnittstellen als Standards: RS 232; RS 485; LWL ISO / OSI-Referenzmodell der internen Schichtenstruktur Systemlösungen für die Busvernetzung Systemkomponenten für Feldbusnetze: Repeater, Router, Gateways, Adressier- und Servicetools, Netzteile Spezielle Einsatzbedingungen (EMV, Blitzschutz...) Anwenderprogrammierung sowie Wirtschaftlichkeit 7.2 Serielle Feldbus-Systeme Mehrebenen-Strukturen mit typischen Kommunikations-Ebenen: LAN, FAN, WAN Kommunikations-Ebene FAN: System-Feldbusse (Auswahl) PROFIBUS-FMS (Euronorm, IEC-Norm) INTERBUS (Euronorm, IEC-Norm) Kommunikations-Ebene FAN: Objektnahe System-Feldbusse (Auswahl) PROFIBUS-DP (Euronorm, IEC-Norm) 7,2.3.2 PROFIBUS-PA (Euronorm, IEC-Norm) CAN (ISO-Norm) Kommunikations-Ebene FAN: Sensor-Aktuator-Feldbusse (Auswahl) AS-Interface (Euronorm, IEC-Norm)

4 INTERBUS-Loop 7.3 Auswahlmethodik für Feldbussysteme zum Einsatz in verschiedenen Anwendungen 8 Software-SPSen 8.1 Aufbau und Funktion einer Software-SPS im Überblick 8.2 Entwicklungsumgebung einer Software-SPS 8.3 Laufzeitumgebung einer Software-SPS 8.4 Software-SPSen im Komplettsystem 8.5 Vergleich zwischen Software-SPS und herkömmlicher SPS sowie zukünftige Entwicklungen PRAKTIKUM - Steuerungen (SPSen) in mehreren Generationen: STEP 5, STEP 7, IEC , Software-SPS - Vernetzung von SPSen durch industrielle Kommunikationssysteme (Bussysteme): PROFIBUS-DP, INTERBUS, AS-Interface - Simulation von Regelungssystemen (WINFACT); Industrielle Regler auf Mikrorechnerbasis - Kompakt-Leitsysteme auf Basis von SPSen, IEC , PCs und Bussystemen. Literaturhinweise Langmann, R. (Hrsg.): Taschenbuch der Automatisierung. Leipzig: Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag München, Wien Bergmann, J.: Automatisierungs- und Prozeßleittechnik. Eine Einführung für Ingenieure und Betriebswirtschaftler. Leipzig: Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag München, Wien Wellenreuther, G.; Zastrow, D.: Steuerungstechnik mit SPS - Von der Steuerungsaufgabe zum Steuerprogramm. Bitverarbeitung und Wortverarbeitung, Analogwertverarbeitung und Regeln, Einführung in IEC , überarbeitete und erweiterte Aufl. Braunschweig / Wiesbaden: Vieweg Verlag Wellenreuther, G.; Zastrow, D.: Lösungsbuch Steuerungstechnik mit SPS. Lösungen der Aufgaben. 2.Aufl. Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg Verlag Wellenreuther, G.; Zastrow, D.: Automatisieren mit SPS, Theorie und Praxis. IEC ; STEP 7; Bibliotheksbausteine; AS-i-Bus; PROFIBUS; Ethernet-TCP/IP; OPC; Steuerungssicherheit. 2. Aufl. Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg Verlag Wellenreuther, G.; Zastrow, D.: Automatisieren mit SPS, Übersichten und Übungsaufgaben. Wiesbaden: Vieweg Verlag Kaspers, W. u. a.: Steuern - Regeln - Automatisieren. 4. Aufl. Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg Schneider, W.: Regelungstechnik für Maschinenbauer. 2. Aufl. Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg Philippsen, H.-W.: Einstieg in die Regelungstechnik. Vorgehensmodell für den praktischen Reglerentwurf. Leipzig: Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag München, Wien Grötsch, E.; Seubert, L.: Speicherprogrammierbare Steuerungen. Bd.1: Einführung und Übersicht. 3.Aufl Bd.2: Programmbeispiele und Produkte. München: Oldenbourg Verlag Kaftan, J.: SPS - Grundkurs mit SIMATIC S7. Aufbau und Funktion speicherprogrammierbarer Steuerungen, Programmieren mit SIMATIC S7. Würzburg: Vogel Buchverlag Berger, H.: Automatisieren mit STEP 7 in AWL; Speicherprogrammierbare Steuerungen SIMATIC S7-300/ Aufl. Erlangen, München: Publicis MCD Verlag Braun, W.: Speicherprogrammierbare Steuerungen in der Praxis. Programmiersprachen von STEP 7, Aufgaben und Lösungen. Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg Verlag 1999.

5 John, K.-H.; Tiegelkamp, M.: SPS-Programmierung mit IEC ; Konzepte und Programmiersprachen, Anforderungen an Programmiersysteme, Entscheidungshilfen. 2. Aufl. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Neumann, P. u.a.: SPS-Standard: IEC 1131, Programmierung in verteilten Automatisierungssystemen. 3. Aufl. München, Wien: Oldenbourg Verlag Auer, A.; Auer, P.: Switch On CD-ROM, SPS-Praktikum mit STEP 5-, STEP 7- und IEC 1131-Syntax. Leipzig: Fachbuchverlag, München: Hanser Verlag Kriesel, W.; Heimbold, T.; Telschow, D.: Bustechnologien für die Automation. Vernetzung, Auswahl und Anwendung von Kommunikationssystemen (mit CD-ROM). 2.Aufl. Heidelberg: Hüthig Verlag Kriesel, W.; Heimbold, T.: Netzwerkhierarchien in der Fabrik- und Prozeßautomatisierung. In: Schnell, G.(Hrsg.): Bussysteme in der Automatisierungstechnik. 4.Aufl. Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg Kriesel, W. R.; Madelung, O.W. (Hrsg.): AS-Interface - Das Aktuator-Sensor-Interface für die Automation (mit CD-ROM). 2.Aufl. München, Wien: Hanser Verlag VDI/VDE-Richtlinie 3687: Auswahl von Feldbussystemen durch Bewertung ihrer Leistungseigenschaften für industrielle Anwendungsbereiche. Berlin: Beuth Verlag Furrer, F.J.: Ethernet-TCP/IP für die Industrieautomation. 2.Aufl. Heidelberg: Hüthig Verlag Süss, G.: Die Software-SPS. Heidelberg: Hüthig Bernstein, H.: Soft-SPS für PC und IPC. Berlin: VDE-Verlag 1999.