Optionspaket PID Professional V11. Wichtiger Hinweis zum Gebrauch!

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1 Automatisierungsforum September 2012 Tipps & Tricks: Regelungstechnik mit der SIMATIC S7-300/400 und WinAC RTX im TIA Portal V11 Optionspaket PID Professional V11 Peter Kretzer Siemens Saarbrücken Saarbrücken Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Wichtiger Hinweis Wichtiger Hinweis zum Gebrauch! Alle in diesem Foliensatz gezeigten Listenpreise sind unverbindliche Preisempfehlungen! Zeitliche Angaben zur Verfügbarkeit und Liefereinsatz können ebenfalls Änderungen unterliegen und sind ohne Gewähr! Irrtümer und Änderungen vorbehalten! Siemens AG Alle Rechte vorbehalten.

2 Agenda Allgemeines ( etwas Theorie ) Arbeitsweise von PID-Reglern in SIMATIC S7 Steuerungen Verfügbare Regelungsfunktionen im TIA-Portal V11 Optimierungsverfahren mit dem PID Self-Tuner PID Professional und weitere Informationen Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. Agenda Allgemeines ( etwas Theorie ) Arbeitsweise von PID-Reglern in SIMATIC S7 Steuerungen Verfügbare Regelungsfunktionen im TIA-Portal V11 Optimierungsverfahren mit dem PID Self-Tuner PID Professional und weitere Informationen Siemens AG Alle Rechte vorbehalten.

3 Allgemeines Die SPS als Steuerungssystem Bei einem automatischen System unterscheidet man zwei Komponenten: Den Prozess selbst (die Maschine) und dessen Umgebung Das Steuerungssystem Steuerungssystem (z.b. SPS) Prozessinformationen Material Energie Information Technischer Prozess (Maschine) Produkt Störgrößen Umgebung Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Allgemeines Das Steuerungssystem als Steuerung oder als Regelung Das Steuerungssystem als Bestandteil des Automatisierungssystems wird je nach Aufbau und Wirkungsweise in folgende Ausprägungen unterschieden: 1. Steuerungssystem mit einem offenen Wirkungsablauf: Steuerung 2. Steuerungssystem mit einem geschlossen Wirkungsablauf: Regelung Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

4 Allgemeines Steuerung versus Regelung Steuern ist sinnvoll, wenn: Auswirkungen der Störgrößen vernachlässigbar klein sind, Nur eine Störgröße auftritt, die nach Art und Verlauf bekannt ist Störgrößenveränderungen selten sind Regeln ist sinnvoll, wenn: Verschiedene Störgrößen auftreten, die Störgrößen nach Art und Größe unterschiedlich sind Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Allgemeines Prozessbereiche für Regelungsaufgaben Branchen Allgemeiner Maschinenbau und Anlagenbau Holz- und Papierindustrie Verpackungsindustrie Textilindustrie Nahrungsmittelindustrie Gummi- und Kunststoffmaschinen Glas- und Keramikindustrie Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

5 Allgemeines ( etwas Theorie ) Aufbau Regelkreis Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Allgemeines ( etwas Theorie ) Reglertypen - Kontinuierliche Regler und Impulsregler 1. Kontinuierlicher Regler: Bei kontinuierlichen Reglern kann die Stellgröße Y jeden Wert innerhalb des Stellbereichs annehmen. Der Ausgangswert ist ein analoger bzw. digitaler Wert. Stellgrößenverlauf 2. Impulsregler mit einem Digitalausgang (2-Punkt-Verfahren) Verlauf des Impuls-Pause-Signals: Bei entsprechend kurzer Periodendauer T, d.h. bei vielen Stellimpulsen pro Zeiteinheit, ergibt sich ein quasikontinuierlicher Stellgrößenverlauf Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

6 Allgemeines ( etwas Theorie ) Reglertypen - Schrittregler 3. Schrittregler: Schrittregler realisieren 3 Schaltzustände, z.b. LINKSLAUF-HALT-Rechtslauf Regelgrößenverlauf Schrittregler weisen integrierendes Verhalten auf. Stellgrößenverlauf Anwendungen Elektromotoren als Stellantrieb Ventile Klappen Schieber Anmerkung: Modell Schrittregler (S7-300/400) von S nicht unterstützt! Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Allgemeines ( etwas Theorie ) Regelparameter eines PID-Reglers P-Anteil Der durch den P-Anteil berechnete Wert der Stellgröße ist proportional zur Regelabweichung. I-Anteil Der durch Integration berechnete I-Anteil der Stellgröße nimmt mit der Zeitdauer der Regelabweichung zu und führt schließlich zum Ausgleich der Regelabweichung. D-Anteil Der D-Anteil (differentielle Anteil) des PID-Reglers nimmt mit wachsender Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung zu. Die Regelgröße wird möglichst schnell und an den Sollwert anglichen. Analoger PID-Algorithmus: Ideale Sprungantwort Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

7 Allgemeines ( etwas Theorie ) Zeitliches Verhalten der Regelstrecke ohne Totzeit Sprungantwort Das Zeitverhalten der Regelstrecke kann durch den zeitlichen Verlauf des Istwerts x nach sprunghafter Änderung des Ausgangswerts y ermittelt werden (Sprungantwort). Die meisten Regelstrecken sind Regelstrecken mit Ausgleich. Kenngrößen der Sprungantwort*: Verzugszeit T u Ausgleichszeit T g Maximalwert X max Beispiel: Regelstrecke mit Ausgleich *Ermittlung durch Tangentenverfahren Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Allgemeines ( etwas Theorie ) Zeitliches Verhalten der Regelstrecke ohne Totzeit Sprungantwort Die Regelbarkeit der Regelstrecke lässt sich abschätzen aus dem Verhältnis T u /T g Streckentyp T u / T g Regelbarkeit der Regelstrecke I < 0,1 gut regelbar II 0,1 bis 0,3 noch regelbar II > 0,3 schwer regelbar Verzugszeit T u Ausgleichszeit T g Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

8 Allgemeines ( etwas Theorie ) Sprungantwort eines geschlossenen PID-Regelkreises Amplitude Sprung (Y) Regelabweichung (e) Zeit [s] Istwertverläufe bei unterschiedlichen Reglereinstellungen Um das Verhalten einer Regelstrecke zu bestimmen, wird zu einem bestimmten Zeitpunkt t0 die Stellgröße Y sprungartig verändert. Die Reaktion der Regelgröße X wird über ihren zeitlichen Verlauf aufgezeichnet und als Sprungantwort bezeichnet. Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Allgemeines ( etwas Theorie ) Ermittlung der Regelparameter 1. Mathematische Verfahren (in der Regel sehr komplex) Bildung eines math. Modells für die Regelstrecke Differentialgleichungen, Übertragungsfunktionen im Bildbereich Bildung von Stabilitätskriterien (z.b. Bodediagramm) Weitere Optimierungsschritte erforderlich (sym. Betragsoptimum usw.) Nachteile: - sehr aufwendig, da Ergebnis nur so gut wie Modell - problematisch bei leichten Änderungen der Regelstrecke Differenzialgleichung des idealen PID-Reglers Differenzialgleichung Regelstrecke PT1-Verhalten 2. Empirische Anpassung der Regelparameter bis zum Optimum Nachteile: - teilweise mit (zeitlich) hohem Aufwand verbunden - nur für erfahrene Anwender 3. Anwendung von bereits in der SPS implementierten Optimierungsverfahren Regler IBN Tool STEP7 (TIA-Portal) Vorteil: keine Spezialkenntnisse erforderlich Siehe auch: Beitrags-ID: Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

9 Allgemeines ( etwas Theorie ) Verfahren zur Ermittlung der PID-Parameter im TIA-Portal S7-300 WinAC S7-400 S Wendetangentenverfahren (Erstanlauf) Voraussetzung: Soll-/Istwertabweichung >50% Strecke wir zum Schwingen angeregt und Regelgrößenänderung (Frequenzgang) ausgewertet (Optimierung im Arbeitspunkt) Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Agenda Allgemeines ( etwas Theorie ) Arbeitsweise von PID-Reglern in SIMATIC S7 Steuerungen Verfügbare Regelungsfunktionen im TIA-Portal V11 Optimierungsverfahren mit dem PID Self-Tuner PID Professional und weitere Informationen Siemens AG Alle Rechte vorbehalten.

10 Arbeitsweise von PID-Reglern in SIMATIC S7 Steuerungen Grundsätzlicher Aufbau des Regelkreises Die SIMATIC S7 als PID Regler für eine Temperaturregelung S7-Controller (Störgröße) Regler Stellglied Strecke z inac S7-300 S7-400 S w e y + x P - I D PT100 Messen Beispiel: Regler Relais Temperatursensor Lampe Heizung Kennzeichnung der Ein-/Ausgangsgrößen nach DIN Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Arbeitsweise von PID-Reglern in SIMATIC S7 Steuerungen Grundsätzliche Aufrufstruktur des PID Reglerbausteins FC FC FC SPS-Umgebung Betriebssystem Zyklisch Main OB1 FC Global WinAC S7-300 S7-400 FB FC Instanz S PID_Compact DB Zyklisch Cyclic Interrupt z.b. OB 35 Zyklischer Aufruf des Bausteins PID-Compact aus Weckalarmbaustein (zeitäquidistant). Aufrufzeit entspricht Regeltakt! Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

11 Arbeitsweise von PID-Reglern in SIMATIC S7 Steuerungen Der PID Regler als Bibliotheksbaustein Der PID Regler wird in den SIMATIC S7-Controllern durch verschiedene Bausteine bereit gestellt S S S7-300 WinAC Regler S7-400 w - e P I D Die Auswahl der Bausteine ist von der Art der CPU-Hardware abhängig! Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Arbeitsweise von PID-Reglern in SIMATIC S7 Steuerungen PID Baustein + Technologieobjekt Bestandteile PID Regler: A. B. OB Zyklischer Aufruf Technologieobjekt (Instanz DB) T-DB Algorithmus Input / Output Definition Istwertskalierung Definition Überwachungsgrenzen Inbetriebnahme Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

12 Arbeitsweise von PID-Reglern in SIMATIC S7 Steuerungen Wesentliche Ein- und Ausgangsparameter des PID Bausteins Beispiel Baustein: PID_Compact für SIMATIC S Stellwert (digital) Stellwert (analog) Sollwert Istwert (digital) Istwert (AE) Hand-/Auto-Mode Stellwert Handbetrieb Neustart Regler Stellwert (2-Punkt, PWM) SW-Ober-/Untergrenze erreicht/überschritten IW-Ober-/Unterwarngrenze erreicht/überschritten Aktuelle Betriebsart Fehlerstatus Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Agenda Allgemeines ( etwas Theorie ) Arbeitsweise von PID-Reglern in SIMATIC S7 Steuerungen Verfügbare Regelungsfunktionen im TIA-Portal V11 Optimierungsverfahren mit dem PID Self-Tuner PID Professional und weitere Informationen Siemens AG Alle Rechte vorbehalten.

13 Verfügbare Regelungsfunktionen im TIA-Portal V11 Übersicht der verfügbaren Regelungsfunktionen im TIA Portal V11 TIA Portal V11 Optionspaket PID Professional V11 Standard PID Control Kompakter Regler mit vordefinierter Struktur STEP7 Professional V11 PID Selftuner Kostenlos ab V11 SP1 dabei! PID Basisfunktionen (Bibliothek und integrierte Systemfunktionen) grafische Optimierung bei Kompaktreglern oder PID Selftuner STEP7 Basic V10.5/V11 Modular PID Control Realisierung komplexer regelungstechnischer Strukturen SIMATIC S PID Kompakt-/Schrittregler grafische IBN und Optimierungsmasken SIMATIC S7-300/S7-400 und WinAC Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Verfügbare Regelungsfunktionen im TIA-Portal V11 Regelungsfunktionen SIMATIC S (ab STEP7 Basic V11) S Die SIMATIC S CPU stellt 2 PID-Regelalgorithmen bereit: PID Compact für kontinuierliche Regelung und Impulsregelung (Pulsweitenmodulation) PID 3-Step für Schrittregelung von Ventilen und Klappen Siehe Beitrag Automatisierungsforum November 2009: Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

14 Verfügbare Regelungsfunktionen im TIA-Portal V11 Regelungsfunktionen SIMATIC S7-300/400 und WinAC RTX S7-300 WinAC S7-400 Umfangreiche PID Basisfunktionen im Lieferumfang von STEP7 Professional V11 PID Basisfunktionen (Bibliothek und integrierte Systemfunktionen) grafische Optimierung bei Kompaktreglern oder PID Selftuner Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Agenda Allgemeines ( etwas Theorie ) Arbeitsweise von PID-Reglern in SIMATIC S7 Steuerungen Verfügbare Regelungsfunktionen im TIA-Portal V11 Optimierungsverfahren mit dem PID Self-Tuner PID Professional und weitere Informationen Siemens AG Alle Rechte vorbehalten.

15 Optimierungsverfahren mit dem PID Self-Tuner PID Self-Tuner kostenlos integriert in STEP 7 ab V11 SP1 PID Self-Tuner Optimale Einstellung des Reglers während der Inbetriebnahme sowie während des laufenden Betriebs Online Nacheinstellung des PID Reglers Feinoptimierung des Reglers am Arbeitspunkt Separate Identifikation für System mit zwei getrennten Stellgliedern (z.b. für Temperaturregelung mit Heizen/Kühlen) PID Self-Tuner wurde speziell für Temperaturregelungen optimiert Self-Tuner ist universal einsetzbar PID Control (Bestandteil STEP 7 V11), Standard PID Control Modular PID Control FM 355 and FM 455 sowie andere PID Algorithmen PID Self Tuner (TUN_EC) Continuous manipulated variable Actual value PID Control (PID_CP) heating Setpoint - cooling Process (PROC_HCP) Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Optimierungsverfahren mit dem PID Self-Tuner Verknüpfungsstruktur PID Self-Tuner kostenlos integriert in STEP 7 ab V11 SP1 Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

16 Agenda Allgemeines ( etwas Theorie ) Arbeitsweise von PID-Reglern in SIMATIC S7 Steuerungen Verfügbare Regelungsfunktionen im TIA-Portal V11 Optimierungsverfahren mit dem PID Self-Tuner PID Professional und weitere Informationen Siemens AG Alle Rechte vorbehalten. PID Professional und weitere Informationen Übersicht der Optionen und integrierten Funktionen bei STEP 7 Professional V11 STEP 7 V5.x SCL GRAPH PLCSim DocPro Teleservice STEP 7 Professional V11 Optionen für STEP 7 Integriert SCL GRAPH PLCSim DocPro Teleservice Distributed Safety Easy Motion Control STEP 7 Safety Advanced V11 Easy Motion Control V11 Modular PID Standard PID PID Selftuner PID Professional V11 PID Basisfunktionen PID Selftuner Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

17 PID Professional V11 Lizenzformen PID Professional V11 Engineering Software + Runtime Software Dokumentation 6-sprachig (DE,EN,IT,FR,SP,CN) USB-Stick mit 1 Engineering-Station Lizenz 1 Runtime Lizenz Bestellnummer: 6ES7860-1XA01-0XA5 Listenpreis: EUR 900 PID Professional V11 Runtime Single License Single Runtime Lizenz (Certificate of License) Bestellnummer: 6ES7860-1XA01-0XB0 Listenpreis: EUR 135 PID Professional V11 Upgrade Upgrade von Standard oder Modular PID Control V5.x auf PID Professional V11 Engineering Software + Runtime Software Dokumentation 6-sprachig (DE,EN,IT,FR,SP,CN) USB-Stick mit 1 Engineering-Station Lizenz 1 Runtime Lizenz Bestellnummer: 6ES7860-1XA01-0XE5 Listenpreis: EUR 269 PID Professional SUS Software Update Service für 1 Jahr Automatische Verlängerung des Vertrages um 1 Jahr, wenn nicht 3 Monate vor Ablauf gekündigt wird Bestellnummer: 6ES7860-1XA01-0YL0 Listenpreis: EUR 169 Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken PID Professional und weitere Informationen Standard PID Control Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

18 PID Professional und weitere Informationen Standard PID Control Standard PID Control enthält Kontinuierlicher Regler/ Impulsregler (PID_CP) Schrittregler (PID_ES) Regleraufrufverteiler (LP_SCHED) Speicheranforderungen Grundbedarf: Pro Regelkreis: ca. 7,6 KByte ca. 0,5 KByte Folgende Reglerstrukturen sind möglich Festwertregelung, Folgeregelung Kaskadenregelung Verhältnis- und Mischregelungen Einfache Inbetriebnahme/ Optimierung Integrierte Regleroptimierung Kurvenschreiber Einsatzbereich S7-300 S7-400 WinAC Betriebssysteme Windows XP Professional Windows 2003 Server Windows 7 (32/64 bit) Windows 2008 Server Optimierung Regelstreckenklassen Strecken mit und ohne Ausgleich Einschwingzeit größer als 2,5 s Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken PID Professional und weitere Informationen Modular PID Control Modular PID Control Reglervarianten sind beliebig konfigurierbar Reglerstrukturen sind individuell erstellbar Funktionsbausteinpaket mit einer Vielzahl an Funktionsbausteinen Anwenderführung zur Regleroptimierung Einsatzgebiete S7-300: CPU 313 oder höher/ S7-400: alle CPUs WinAC Betriebssysteme Windows XP Professional Windows 2003 Server Windows 7 (32/64 bit) Windows 2008 Server Speicheranforderungen (abhängig von der implementierten Reglerstruktur) Beispiel einfache Temperaturregelung: Ca. 4,5 KByte Für jeden weiteren Regler 1,0 KByte Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

19 PID Professional und weitere Informationen Flexible Reglerstrukturen mit Modular PID Control Beliebig viele Regler Lösungen Realisierbar durch große Bausteinbibliothek Breites Spektrum an mitgelieferten Beispielen (z.b. Störgrößenaufschaltung, Ablöseregelung, Mehrgrößenregelung etc.) Detaillierte Dokumentation zur schnellen Reglerrealisierung Blending Control Override Control Feedforward Control und viele mehr (siehe nächste Folie) Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken PID Professional und weitere Informationen Programmierbeispiele Standard und Modular PID Control Implementierungsbeispiele Example01: Schrittregler Example02: Kontinuierlicher Regler Example03: Kaskadenregelung Example04: Impulsgeber Example05: Kontinuierlicher Regler mit PID Self-Tuner Example06: Schrittregler mit PID Self-Tuner Example07: Impulsgeber mit PID Self-Tuner Detaillierte Dokumentation Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken

20 PID Professional und weitere Informationen Click on Web page Peter Kretzer Automatisierungsforum September 2012 Folie Industry Automation/Siemens Saarbrücken Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Peter Kretzer GER I S MTE IA TC Werner-von-Siemens-Allee Saarbrücken (IT-Park Burbach) Telefon: +49 (0)681/ peter.kretzer@siemens.com Siemens AG Alle Rechte vorbehalten.