Helmut Greiner Systematischer Entwurf sequentieller Steuerungen Grundlagen Schriftenreihe der Stiftung für Technologie, Innovation und Forschung Thüringen (STIFT) Fachhochschule Jena
ISBN 978-3-932886-18-8 Bibliographische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. Fachhochschule Jena 2007
INHALTSVERZEICHNIS Vorwort vii 1 Elementare Grundlagen 1 1.1 Zahlensysteme... 1 1.2 Kodierungen... 3 1.3 Beschreibungsmethoden für Schaltnetze (kombinatorische Steuerungen); boolesche Algebra.... 8 1.3.1 Stromlaufplan... 8 1.3.2 Algebraische (boolesche) Beschreibung.. 9 1.3.3 Schaltbelegungstabelle (Wahrheitstabelle). 10 1.3.4 Funktionsplan/Funktionsbaustein- Diagramm, Funktionsbaustein-Sprache (FUP/FBD,FBS)... 11 1.3.5 Rechenregeln der booleschen Algebra... 12 1.4 Minimierung boolescher Ausdrücke........ 15 1.4.1 Grundlagen für das algebraische Vorgehen 15 1.4.2 Grundlagen für das tabellarische Vorgehen 15 1.4.3 Erweiterung des tabellarischen Verfahrens (auf4und5variablen)............ 18 1.5 Grundlegende Festlegungen zu binären Signalen. 19 1.6 Übergangsprozesse... 20 2 Beschreibungsmethoden und korrekte Arbeitsweise sequentieller binärer Systeme 23 2.1 Stromlaufplan... 24 2.2 Boolesche Gleichung................. 25 2.3 Funktionsplan(FUP)... 25 2.4 Korrekte Arbeitsweise sequentieller Systeme Grundforderungen... 26 2.5 Überführungstabelle/Automatentabelle...... 29 2.6 Signalfolge-Diagramm (SFD)............ 32 2.6.1 Überführung realisierbarer Signalfolge- Diagramme in eine Automatentabelle (allgemeingültige Vorgehensweise).... 33 iii
2.6.2 Ermittlung boolescher Gleichungen aus realisierbaren Signalfolge-Diagrammen (allgemeingültige Vorgehensweise).... 37 2.7 Automatengraph... 39 2.8 Verwendung weiterer Diagramme......... 40 3 Definitionen sequentieller Automaten 43 3.1 Automat nach Moore................. 44 3.2 AutomatnachMealy... 45 4 Sequentielle Grundschaltungen und ihre Eigenschaften 46 4.1 Speicher... 46 4.1.1 RS-Speicher (Speicher mit der Eigenschaft»Rücketzen dominant«)........... 46 4.1.2 SR-Speicher (Speicher mit der Eigenschaft»Setzen dominant«)............. 47 4.1.3 Gemeinsame Eigenschaften der Speicher. 48 4.2 Asynchrone und synchrone Arbeitsweise sequentiellersysteme... 52 4.3 Zeitglieder....................... 55 4.3.1 Einschaltverzögerung (TON nach IEC 61131-3).................... 55 4.3.2 Ausschaltverzögerung (TOF nach IEC 61131-3).................... 58 4.3.3 Zeitglied Puls (TP nach IEC 61131-3).... 60 4.4 Zähler... 62 4.5 Flankenerkenner... 64 5 Entwurf sequentieller Steuerungen mit frei ausbildbaren Rückführkreisen (AT-Strukturen) 66 5.1 Allgemeine Vorgehensweise, Methodenwahl... 66 5.2 Entwurfsbeispiele für asynchrone Steuerungen mit frei ausbildbaren Rückführkreisen (AT- Strukturen)... 70 5.2.1 Steuerungen mit Speichern......... 70 5.2.2 Steuerungen mit Zeitgliedern........ 91 5.2.3 Entwurfsvergleich, Kompositionsentwurf, zulässige (unkritische) Wettläufe...... 98 iv
5.2.4 Erweiterung der Zustandsmenge in einer Steuerung... 100 5.3 Spezifischer Umgang mit einigen Regeln der booleschen Algebra und die Bedeutung des Anfangszustandes... 105 5.4 Alternative Entwurfswege und Strukturen für Automaten... 110 5.4.1 Logikentwurf auf der Basis der Automatentabelle (Entwurfsweg 1)......... 111 5.4.2 Logikentwurf auf der Basis des Signalfolge-Diagrammes, SFD (Entwurfsweg 2).. 116 6 Demonstration zweier allgemeiner Entwurfsprobleme, Entwicklungsbeispiele synchroner Schaltungen 123 6.1 Der projektierte Hasard............... 123 6.2 Frei wählbare Zustandskodierung......... 125 7 Grundlagen der Ablaufsteuerungen (AS) 131 7.1 Einführung, Begriffe................. 131 7.2 Entwicklung einer einfachen, durch äußere Ereignisse gesteuerten AS................. 136 7.3 Angaben zur Charakterisierung von Aktionen.. 139 7.4 Implementation von Ablaufsteuerungen in der Funktions-Baustein-Sprache(FBS)... 141 7.5 Dokumentation der Wirkung von Bestimmungszeichen für Aktionen in der Funktions-Baustein- Sprache(FBS)... 146 8 Technische Verwirklichung des Logik-Entwurfes (Realisierung) 148 8.1 Verbindungsprogrammierte Steuerungen..... 149 8.2 Grundlagen speicherprogrammierbarer Steuerungen(SPSen)... 159 8.2.1 Gerätestruktur... 160 8.2.2 Grundlagen der SPS-Programmierung... 162 Anhang (Lösungsbeispiele) 176 A 1. Beispiele zu einzelnen Kapiteln........... 176 v
Kap.5.2.2betreffend:... 176 Kap.5.3und8betreffend:... 179 A 2. Beispiel-Aufgaben für unterschiedliche Lösungskonzepte... 179 A 2.1 Anzeige zweier Betriebszustände...... 179 A 2.2 Flankenbildner für binäre Signale»Differenzierglieder«................ 181 A 2.3 Richtungsdiskriminator............ 184 A 2.4 Steuerung eines Transportwagens...... 192 A 2.5 Steuerung zweier Aggregate mit Ausgleich der Einschalt-Häufigkeit........... 199 A 2.6 Vereinfachung und Auflösung der Struktur einer elementaren Ablaufsteuerung (AS). 207 A3.Lösungen... 209 Literaturverzeichnis 211 Abkürzungsverzeichnis 213 Über den Autor 214 Fachhochschule Jena 215 Dem Buch ist eine CoDeSys Demo CD beigefügt. vi
VORWORT Die Systematik des Entwurfs sequentieller Steuerungen hat eine Geschichte mit vielen Zweigen. Bis zum heutigen Tag spielt in der Praxis persönliches Know-how eine nicht zu unterschätzende Rolle; besonders trifft das auf asynchrone sequentielle Steuerungen zu. Wer heute eine Quelle dazu sucht, die für den Wissenserwerb eine zusammenhängende und ausreichend vollständige Grundlage darstellen würde oder auch als Werk zum Nachschlagen Bedeutung hätte, stößt in eine erhebliche Leere. In vielen Titeln aus den 50-er bis 70-er Jahren des vergangenen 20. Jahrhunderts sind die wesentlichen wissenschaftlichen Grundlagen der Folgesteuerungen entwickelt worden. Sie mündeten in praktische Verfahren, die damals von vielen einschlägig beschäftigten Ingenieuren auch angewendet wurden. Dabei erfolgte bald eine deutliche Trennung in Digitaltechnik mit dem Schwerpunkt synchron arbeitender Schaltungen und in Steuerungstechnik mit dem Schwerpunkt asynchron arbeitender (sequentieller) Systeme. Es sind wohl mehrere Entwicklungsprozesse gewesen, die dazu führten, dass heute entsprechende Entwürfe wieder viel zu häufig so individuell entstehen wie in den 50-er Jahren und das mit Konsequenzen. Manche dieser Lösungsvorschläge sind von Professionalität weit entfernt. Die Bemühungen gingen deshalb dahin, ohne die wissenschaftlichen Grundlagen zum Zentrum der Darlegungen zu machen, eine auf asynchron arbeitende Automaten konzentrierte einführende Übersicht zu liefern zur Vielfalt der Beschreibungsmethoden dieser Gruppe von Steuerungen sowie in die daraus resultierenden Entwicklungsverfahren. Die Entwurfsmethoden für asynchrone Automaten sind insofern universell, als ihre technische Umsetzung auch in der synchron arbeitenden Variante funktionstüchtig bleibt (z.b. in einem digitalen Automatisierungsgerät), die Umkehrung aber nicht gilt. Deshalb ist auch Vorsicht geboten bei der Benutzung der Simulationssoftware von der zum Buch gehörenden CD der Firma 3S-Smart Software Solutions GmbH. Dieses Programm funktioniert wie ein synchron arbeitender digitaler Automat! vii
Ein universelles Werkzeug für den Entwicklungsprozess technisch optimaler sequentieller Steuerungen gibt es nicht, deshalb ist insbesondere Wert gelegt worden auf die unterschiedlichen Eigenschaften von Beschreibungsmethoden sowie auf ganz unterschiedliche Lösungskonzepte, die schließlich die Basis für den Auswahlprozess in der praktischen Arbeit bilden. Auch die Überführungsmöglichkeiten einer Beschreibungsmethode in eine andere werden aufgezeigt einschließlich der dabei ggf. existierenden Einschränkungen. An einer größeren Menge von Beispielen werden Phänomene sequentieller Schaltungen und die Anwendung unterschiedlicher Entwicklungsverfahren demonstriert und erläutert. Dabei wird auch gezeigt, dass es häufig ganz unterschiedliche Vorgehensweisen und Lösungsansätze gibt, die zu unterschiedlichen korrekten Lösungen ein und derselben Aufgabe führen. Spezielle Voraussetzungen sind für die Arbeit mit dieser Einführung nicht notwendig. Es wird mit Tabellen, grafischen Darstellungen, Diagrammen, Funktionsplänen und der booleschen Algebra gearbeitet. In diese Algebra wird kurz und elementar eingeführt, ebenso in Ablaufsteuerungen und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPSen). So fasst dieser kleine Band Beschreibungsmethoden und Entwicklungsverfahren zusammen, die den zielgerichteten Entwurf sequentieller Steuerungen mit definierten geforderten Zustandswechseln / Zustandsfolgen ermöglichen. Zur technischen Verwirklichung dieser Gruppe von Steuerungen erfolgt eine kurze Anleitung mit dem Ziel, eine konkrete verbindungs- oder auch eine speicherprogrammierte Lösung zu erstellen. (Auch auf einzelne Aspekte der technischen Sicherheit wird hingewiesen.) Daraus resultierte die Forderung nach allgemein gültigen Lösungen auf der logischen Ebene, die sowohl als asynchron wie auch synchron arbeitender Automat ihre Verwirklichung finden können. Berücksichtigung fanden das Automatenmodell und Ablaufsteuerungen. Die Veröffentlichung des vorliegenden Lehrheftes wäre ohne die Unterstützung durch die Stiftung für Technologie, Innovation und Forschung Thüringen (STIFT) nicht möglich gewesen. Mein besonderer Dank gilt der STIFT, den Mitarbeitern der Fachviii
hochschule Jena, die das Vorhaben sehr kooperativ unterstützten und insbesondere meinen ehemaligen Fachkollegen. Prof. Dr.-Ing. J. Müller sah das erste Manuskript kritisch durch und gab insbesondere wertvolle Hinweise zu grundlegenden Sachverhalten. Herr Dipl.-Ing. (FH) T. Hilbert benutzte das Manuskript zum Teil bereits in seiner Lehrtätigkeit und gab für den praktischen Gebrauch wertvolle Hinweise Ergänzungen und Verbesserungen. Besonderer Dank gilt der Firma 3S-Smart Software Solutions GmbH, die das Simulationsprogramm auf beiliegender CD kostenlos zur Verfügung stellt. Helmut Greiner Jena, 05.04. 2007 ix