Prof. Dr.-Ing: Serge Zacher SPS-Programmierung mit Funktionsbausteinsprache Automatisierungstechnische Anwendungen VDE VERLAG Berlin Offenbach
Inhalt 1 Grundlagen der Automatisierung mit SPS und PC 11 1.1 SPS als Steuerungsgerät 11 1.1.1 Bauformen der SPS 11 1.1.2 Funktionsblöcke 13 1.1.3 Bussysteme und Vernetzung 15 1.1.4 Programmspeicher und Software 16 1.1.5 Zykluszeit und Reaktionszeit 17 1.2 SPS als Regler 19 1.2.1 Vergleich: Regelung und Steuerung 19 1.2.2 Analogwertverarbeitung 20 1.2.3 Standard-Regelalgorithmen 21 1.2.4 Fuzzy-Regelung 24 1.3 PC als Programmiergerät 27 1.3.1 Funktionen und Arten von Programmiergeräten 27 1.3.2 Programmerstellung und -eingäbe 28 1.3.3 IEC-Norm und DINEN 61131-3 29 1.3.4 Beispiele von IEC-Programmiersystemen 30 1.4 Automatisierungsstrukturen 32 1.4.1 Verbindung SPS-PC 32 1.4.2 PC als Automatisierungskomponente 33 1.5 Fragen zur Selbstkontrolle 35 2 Funktionsbausteinsprache FBS 37 2.1 Funktionsbausteine 37 2.2 Programmeinheiten 40 2.3 Sprachelemente 40 2.3.1 Variablen 40 2.3.2 Literale 41 2.3.3 Direkte Adressen 41 2.3.4 Datentypen 42 2.4 Standard-Funktionen und -Funktionsbausteine 44 2.4.1 EFB der IEC-Bausteinbibliothek (Übersicht) 44 2.4.2 Arithmetische Funktionen 46 2.4.3 Typumwandlung 47
2.4.4 Numerische Funktionen 48 2.4.5 Logische Verknüpfungen 49 2.4.6 Auswahl-Funktionen 50 2.4.7 Bistabile Elemente 50 2.4.8 Vergleichsfunktionen 51 2.4.9 Flankenerkennung 51 2.4.10 Zähler 52 2.4.11 Zeitfunktionen 52 2.5 Abgeleitete Funktionsbausteine DFB 53 2.6 Fragen zur Selbstkontrolle 55 3 Programmiersoftware Concept 57 3.1 Eigenschaften und Funktionen 57 3.1.1 Bedienoberfläche 57 3.1.2 Betriebsarten 58 3.1.3 Bibliotheken 59 3.2 Einstieg in das Programm Concept 61 3.2.1 Neues Projekt 61 3.2.2 Konfigurieren 62 3.2.3 Programmieren mit FFB-Funktionsbausteinen 64 3.2.4 Programmieren mit DFB-Funktionsbausteinen 66 3.2.5 Verbinden 67 3.2.6 Laden 68 3.2.7 Simulation 69 3.2.8 Online-Steuerung 70 3.2.9 Monitoring 71 3.3 Funktionsbausteine unter Concept 72 3.3.1 Extended-Bausteinbibliothek 72 3.3.2 DIAGNO-Bausteinbibliothek 73 3.3.3 SYSTEM-Bausteinbibliothek 74 3.3.4 ANAIO-Bausteinbibliothek 75 3.4 Aufgaben zum Kapitel 3 76 4 Programmierung von SPS-Reglern 79 4.1 Bibliothek CONTCTL 79 4.2 Standard-SPS-Regler 84 4.2.1 PID-Regler 84 4.2.2 Adaptive Regler 87 4.2.3 Zweipunktregler 88 4.3 Bibliothek FUZZY 92
4.3.1 Funktionsbausteine der Fuzzifizierung 92 4.3.2 Regelbasis und Inferenz-Bausteine 95 4.3.3 Funktionsbausteine der Denazifizierung 97 4.3.4 Fuzzy-Regler 99 4.4 Simulierte Regelstrecke 102 4.4.1 P-Tl-Glied : 102 4.4.2 P-T2-Glied 103 4.4.3 I-Glied 104 4.5 Regler-und Signaltypen unter Concept 105 4.5.1 Eingangssignale 105 4.5.2 Begrenzung und Unempfmdlichkeitszone 106 4.5.3 Pulsmodulation PWM und PDM 107 4.5.4 Schrittregler nach Concept 107 4.5.5 Struktur- und Parameteroptimierung 108 4.6 Aufgaben zum Kapitel 4 109 5 Projektbeispiel: Prozessautomatisierung 111 5.1 Aufgabenstellung 111 5.1.1 Entwurfsstufen eines Projekts 111 5.1.2 Systemanforderungen 112 5.1.3 Beschreibung des Automatisierungsobjekts 112 5.1.4 Teilaufgaben der Automatisierung des Reaktors 114 5.2 Teilprojekt: Automatisierte Messungen 116 5.2.1 Messung der Füllzeiten 116 5.2.2 Automatische Erfassung von Sprungantworten 117 5.3 Teilprojekt: Identifikation 118 5.3.1 Übertragungsfunktionen der Regelstrecke 118 5.3.2 Linearitätsprüfung 119 5.3.3 Simulation der Regelstrecke 120 5.4 Teilprojekt: Entwurf einer Regelung 121 5.4.1 Temperaturregelkreis 121 5.4.2 Füllstandsregelkreis 122 5.5 Teilprojekt: Steuerung 123 5.5.1 Steuerung des Mischverhältnisses 123 5.6 Prozessivisualisierung 124 5.6.1 Konzept und Funktionsweise von Lookout 124 5.6.2 Einstieg in das Programm Lookout 125 5.6.3 Entwicklung einer Applikation 128 5.6.4 Erstellen eines Schalters 136 5.6.5 Erstellen eines Mixers 140
5.6.6 Erstellen einer Trenddarstellung 142 5.6.7 Erstellen eines Alarmobjekts 145 5.6.8 Prozessvisualisierung des Rührkesselreaktors 146 5.7 Aufgaben zum Kapitel 5 147 6 Selbstlernende Steuerungen 149 6.1 Einführung 149 6.1.1 SPS trainieren statt programmieren i 149 6.1.2 SPS und künstliche neuronale Netze (KNN) 150 6.1.3 Nervensystem oder Netz aus Verarbeitungselementen? 150 6.1.4 Einteilung von KNN 151 6.1.5 KNN: Vorteile und Nachteile 152 6.1.6 KNN in der Automatisierungstechnik 153 6.1.7 Lernvorgang ohne Interationen? 154 6.2 SPS als künstliches Neuron 155 6.2.1 Aufbau eines künstlichen Neurons 155 6.2.2 Lernvorgang nach der Backpropagation 157 6.2.3 Mehrschicht-Netze 163 6.2.4 Umsetzung des Lernalgorithmus für SPS 165 6.2.5 FBS-Programm nach der Backpropagation 166 6.3 Automatische Reglereinstellung mit KNN 167 6.3.1 Aufgabenstellung und Teilaufgaben 167 6.3.2 Erkennung der Stabilitätsgrenze 168 6.3.3 Umsetzung des Lernalgorithmus für SPS 172 6.3.4 STAB2 / NEURO: Funktionsweise 174 6.3.5 STAB2/NEURO: Simulationsbeispiel 175 6.4 Selbstlernender Adress-Master 180 6.4.1 Aufgabenstellung 180 6.4.2 Theoretische Grundlagen: Antineuronen 182 6.4.3 Aufbau des Adress-Masters 184 6.4.4 Beispiel eines Adress-Masters: Füllstandsregelung 185 6.4.5 Umsetzung des selbstlernenden Programms 189 6.5 Aufgaben zum Kapitel 6 190 7 Feed-Forward-Fuzzy-Regler (FFF-Regler) : 193 7.1 Aufbau des FFF-Reglers 194 7.1.1 Merkmale von Fuzzy-Reglern 194 7.1.2 Feed-Forward-Neuronen 195 7.1.3 Einstellregeln für zwei benachbarte Neuronen 198 7.1.4 Entwurf eines FFF-Reglers 200
7.1.5 Simulaton eines Regelkreises mit FFF-Regler 203 7.1.6 Wirkung von Neuronen 208 7.2 Selbsteinstellender FFF-Regler 211 7.2.1 Aufgabenstellung und Systemanforderungen 211 7.2.2 Struktur des FFF-Reglers 212 7.2.3 Funktionsbaustein für die Einstellung von Begrenzungen 215 7.2.4 Funktionsbaustein F_REGLU für Füllstandsregelung 216 7.2.5 Funktionsbausteine KPT_WERT und LAB2DFB 217 7.3 Visualisierung eines FFF-Reglers 218 7.3.1 Umwandlung der Prozessgrößen 218 7.3.2 Applikationsentwicklung 219 7.3.3 Kontrolltafel 220 7.3.4 Darstellung von Trends 222 7.4 Aufgaben zum Kapitel 7 224 8 Bibliothek der entwickelten DFB 227 8.1 Hinweise zu Begleitprogrammen 227 8.1.1 Lernen per Internet 227 8.1.2 Vorgehensweise 227 8.1.3 Umgang mit DFB 228 8.1.4 Kleine Tips und Tricks 229 8.1.5 Urheberrecht und Haftung 231 8.2 Funktionsbaustein ANTI 232 8.3 Funktionsbaustein DIAGNOSE 233 8.4 Funktionsbaustein EADIGMOM 234 8.5 Funktionsbaustein LAB DFB 236 8.6 Funktionsbaustein LAB2DFB 239 8.7 Funktionsbaustein MOTON 242 8.8 Funktionsbaustein NEURO 243 8.9 Funktionsbaustein NEURON 244 8.10 Funktionsbaustein NEUROX 246 8.11 Funktionsbaustein PERZEPT 248 8.12 Funktionsbaustein STAB1 249 8.13 Funktionsbaustein STAB2 251 8.14 Funktionsbaustein UMFORM 253 Antworten und Lösungen 255 Antworten zum Kapitel 1 255 Antworten zum Kapitel 2 255 Lösungen zum Kapitel 3 255
Lösungen zum Kapitel 4 262 Lösungen zum Kapitel 5 266 Lösungen zum Kapitel 6 271 Lösungen zum Kapitel 7 275 Literatur 281 Abkürzungsverzeichnis 283 Sachwortverzeichnis 285 10