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Automationskonzepte

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Entwerfen, Erstellung und Wartung von Steuerungenprogrammen

wesentliche Kostenfaktoren 30-50% Planungskosten zur Programmierung

schwierige Unsicherheitsfaktoren hohe Folgekosten bei Problemen

Anlageschäden verzögerte Inbetriebnahme

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Vorgehensweise bei der Lösung von Steuerungsaufgaben

Effizientes Vorgehen verlangt Richtlinien Planungsprozess ist effizient, wenn gesamthaft

optimal verfahren wird Strukturiertes Vorgehen für kleine und grosse

Projekte gleichermassen von Bedeutung

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Betrachtungsweisen: 4+1-Modell nach Kruchten

Logica lv iew

P rocessview

D evelopm entview

P hysica lv iew

S cenarios

Was soll das System können?

Wie wird die Softwareerstellung organisiert?

Wie ist die Architektur der Applikation?

Wie sieht die Systemstruktur aus?

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Was soll das System können:Funktionskonzepte

F unk tio nsum fa ng de r G e sam ta n lage

Ein /Aus-Vorort M otor 1

Motor 1 S teuerungstyp1

Antrieb 2 S teuerungstyp2

Zustände A,B G rundfkt 1

Zustände X,Y,Z G rundfkt 2

M otor 1 Stop

Antrieb 2 Stop

Tempera tu r regeln

Temperaturprotokollieren Funktionskonzept

e

v e re in he itlich te rF unk tio nsum fa ng de r G e sam ta n lage

Ein/Aus-Vorort Motor 1

M otor Steuerungstyp MInstanz 1

M otor Steuerungstyp MInstanz 2

Zustände X,Y ,Z G rundfkt IInstanz 1

Zustände X,Y ,Z G rundfkt IInstanz 2

M otor 1 Stop 0

M otor 2 S top 0

Tempera tu r rege ln

Temperaturprotokollieren

Aufgabe:

Vereinheitlichung der Funktionalität

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Strukturierungskonzeptevereinheitlichter

Funktionsumfang der Gesamtanlage

Ein/Aus-Vorort Motor 1

Motor Steuerungstyp MInstanz 1

Motor Steuerungstyp MInstanz 2

Zustände X,Y,Z Grundfkt IInstanz 1

Zustände X,Y,Z Grundfkt IInstanz 2

Motor 1 Stop 0

Motor 2 Stop 0

Temperatur regeln

Temperatur protokollieren

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Strukturierungskonzepte

Zustände X,Y,Z

Temperaturregeln

Temperatur protokollierenauslösen

vereinheitlichter strukturierter Funktionsumfang der Gesamtanlage

Teilanlage 1 Teilanlage 2

GF 1.1

Motor 1 Stop 0

Gerät M.1

GF 2 GF 1.2

Motor 2 Stop 0

Gerät M.2

Zustände X,Y,Z

Aufgabe:

Glieder der Aufgaben festlegen

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Implementierungskonzepte

Stark von der Entwicklungsumgebung abhängig

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Systemstruktur

redundante Verbindu ng

Internet/Intranet

Ethernet Backbone

Switch 1193.135.242.200

Firewall

PC193.135.242.218

multivendor.hst.fhso.ch

Rockwell SPS193.135.242.205Rockwell Flex I/O

193.135.242.206

Switch 3193.135.242.202

Switch 2193.135.242.201

Roboter Steuerung193.135.242.212

Schneider SPS193.135.242.207

Jetter SPS193.135.242.211

Schneider Remote Input193.135.242.207

I/O Block zentral

I/O Block zentral

Ethernet Multivendoranlage Netzwerkstruktur

WebCam 2USB

B&R SPS193.135.242.210

I/O Block CAN

Schneider Remote Output193.135.242.208

PCProgrammierung193.135.242.204

PC193.135.242.217

I/O Block zentral

WebCam 2USB

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Ziel der Funktionskonzepte Vereinheitlichung der Funktionalität für

Namensgebung der Typen und ihrer Instanzen Sicherheitsfunktionen Bedienung, Parametrisierung Synchronisationprinzipien Automationsgrade Koordinationssteuerungen, Rezepturprinzipien,

Teach-in Betriebsarten, Statuskonzept

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Wieso Funktionskonzepte funktionsfähige Anlage vor bankrott im Chaos einfachere Anlagenbedienung konsistene Programmierung erweiterbare Lösung Wiederverwendbarkeit Testbarkeit

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Automatisierungsgrade

A utom atisierungsgradniedrig hoch

Funk

tiona

lität M ensch

Leitsystem

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BeispieleAutomatisierungsgrad

Funktionen

tief Vorortbedienung, Sicherheitsabschaltungen, Regelungen,manuelles Zu- und Wegführen von Materialien

mittel tief + automatisierte Abläufe, Koordination mit anderenAnlagen, einfache Produktionsprotokolle

hoch voll automatisierte Abläufe auch für Anfahren undAbstellen der Anlage, Integration in Gesamtleitsystemmit Anbindung an Betriebsleitebene, vollständigeProduktionsdatenerfassung und Protokollierung

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Nutzen:

Anlagekosten besser im Griff konsistente Automatisierung

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Betriebsarten

manuell

automatisch:(auto)

Anforderung Hand&

Hand erlaubt

Freigabe Hand /Hand nicht erlaubt

einfach

manuell

frei

automatisch:(auto)

AnforderungHand

AnforderungAutomatik

Freigabe

Spezialanforderung Hand

aufwendiger

gesprerrtsperren

Freigabe

Freigabe

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Betriebsarten

manuell

frei

automatisch:(auto)

AnforderungHand

AnforderungAutomatik

Freigabe

Spezialanforderung Hand

aufwendiger

gesperrt

sperren

Freigabe

Freigabe

einrichteneinrichten

Freigabe

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In d

er A

nlag

e: Hand/Auto

Funktionsgruppe

Arbeitsteil

GeräteBedienfenster

Hand/Auto Hand/Auto

Hand/Auto

GrundfunktionBedienfenster

GeräteBedienfenster

Modul/Grundfunktion

Anlagensteuerung

Geräte-steue-rung

Hand/Auto

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Vereinheitlichung der Zustandsinformation

läuft

restartend angehalten anhalten

unterbrechend

unterbrochen

stoppend

gestopped

abbrechend

abgebrochen

Leerlauf

beendet

Zustandgut

Zustandschlecht

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Nutzen:

Standardisierte Schnittstelle: unabhängig von Grundfunktionstyp einfach zu verstehen einfach zu visualisieren einfach zu implementieren

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Sicherheitskonzepte: Begriffe

Messung Gutbereichs-überprüfung Störung

AlarmSicherheitseingriff

Auswertung

Zustandsinformationanderer Gf´s

Statusüberprüfung Eingriff externAlarm

Zustands-informationenfür andere Gf

Zustand der Steuerung

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SicherheitsstufenEinteilung Gefahren-/

StörungsstufeBezeichnung Bedeutung Wirkungs-

gebietKlassifizierung Auswirkung

höchste Sektor NOT-AUS

gemäss interner Norm Gebäude/Sektor

Sicherheitseinrich-tung

schaltetSpannungsversorgungder Steuergeräte undMotoren ab

Anlagen- mittlere Anlagen NOT-AUS

Stop 0 &Not-Aus gemEN 60 204

Anlage Sicherheitseinrich-tung

schaltet:Spannungsversorgungder gesteuertenSteuergeräte ab

sicherheit niedersteStörung 3

Schnellstop Stop 1 gemäss NormEN 60 204

Prozess-einheit

Ueberwachungs-einrichtung

Prozesseinheit arbeitetmit Schnellstopwerten

Prozess- Störung 2 Messstellen-bezeichnung

PAR-/ Anlagenbe-reichs-/ Sicherheits-bereichsverletzungsteht bevor

mehrereModule

Betriebseinrich-tung

irreversibler Sicherheits-eingriff innerhalbund/oder bei anderenModulen (Prozessstatus)

sicher- Störung 1 Messstellen-bezeichnung

deutliche Abweichungoder grössere Störungim Steuersystem

innerhalbModul

Betriebseinrich-tung

reversibler oder irrever-sibler Sicherheitseingriffinnerhalb Modul

heiten Störung 0 Messstellen-bezeichnung

Abweichung oderStörung im Steuersy-stem

innerhalbModul

Betriebseinrich-tung

Operatorwarnung undev. Halteingriff

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Nutzen

vereinfacht die Bedienung der Anlage massgeblich

führt zu weniger Fehlern in der Software und vereinfacht dessen Wartung und ist darum ein Qualitätsmerkmal der Steuersoftware

vereinfacht die Dokumentation der Anlage

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Parametrisierung/Fahrweisen

Optionen FahrweisenHeizen/Kühlen

T-Begrenzung

Kaskade Manteltemp.-Regelung

X Behältertemperatur regelnX X Manteltemperatur regelnX X Behältertemperatur

KaskadenregelungX X X Behältertemperatur

Kaskadenregelung mit Delta-T -Begrenzung

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Programmerstellung Strukturierung Gliederung des Problemes nach hierarchischen,

funktionalen und zeitlichen Gesichtspunkten Erstellen der Funktionspläne und Schalt-

bedingungen Codierung Test und Inbetriebnahme

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Wieso Strukturieren?

Strukturieren = gliedern und modularisieren Problem in Module gliedern Vermeidung von Programmierfehler

Effizienz bei der Fehlersuche durch Uebersichtlichkeit Einfaches Eingrenzen und Auffinden von Fehlern

Prüfaufwand für Qualitätssicherung Prüfen von einzelnen Modulen Geprüfte Module können ohne Prüfung genutzt werden

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Wieso Strukturieren? Bedienungsfreundlichkeit

keine Betriebsbehinderung durch einzelne Module keine Fehlmanipulationen durch unnötige

Wechselwirkungen Flexibilität der Anlage

Aenderung müssen einfach und billig durchgeführt werden können

Wartungskosten Wartungskosten werden reduziert

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Wieso Strukturieren? Dokumentationsaufwand

Klare Struktur verringert Erklärungsaufwand Dokumentierte Module müssen nicht noch einmal

dokumentiert werden Wiederverwendbarkeit der Programme

Universelle Module mehrfach verwenden Programmierkosten

Niedriger durch wiederverwendbare Programme, niedriger Dokumentationsaufwand, geringere Fehler

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Wie strukturieren

Zuammenhängende Probleme

Abhängigkeiten Charakteristische

Zustände des Systems erkennen

Hierarchische Strukturen bilden

Beziehungen zwischen den Ebenen festlegen

In den Ebenen unabhängige Module bilden

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Strukturierung

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Hierarchische Gliederung

Abhängigkeiten im System in vertikaler Richtung finden

Uebergeordnete Funktionen kontrollieren und steuern untergeordnete Einheiten

Der einer jeden Funktion umfasst nur sie selbst und der ihr direkt zugeordneten.

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+- überall vorhandene Struktur

Einzelgerätesteue-rung / Modul

Maschine /Grundfunktion

Teilanlage / Zelle

Anlage

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Einzelgerätesteuerung

Steuerung eines Geräts oder Sensors

Beispiel: Motorensteuerung Regler für Linearachse Sensor mit Visualisierung und

Grenzwertbildung Gerätetreiber

Einzelgerätesteue-rung / Modul

Maschine /Grundfunktion

Teilanlage / Zelle

Anlage

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Grundfunktion Praktische, intelligente Funktionen

mehrerer Geräte zusammen oder einer einzelnen Maschine

Steuereinheit einer modular aufgebauten Anlage

Wiederverwendbares Know-How Testeinheit für Inbetriebnahme und QSEinzelgerätesteue-

rung / Modul

Maschine /Grundfunktion

Teilanlage / Zelle

Anlage

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Teilanlagensteuerung

Steuerung einer Maschinengruppe oder Station

Steuert Grundfunktionen mittels Fahrweisen und Parameter

Oft auch eine Steuerungs-HardwareeinheitEinzelgerätesteue-

rung / Modul

Maschine /Grundfunktion

Teilanlage / Zelle

Anlage

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Anlagensteuerung

Koordiniert die Teilanlagensteuerungen oder Fertigungszellen

Realisiert als Koordinationssteuerung und LeitsystemeEinzelgerätesteue-

rung / Modul

Maschine /Grundfunktion

Teilanlage / Zelle

Anlage

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Grundsätze zur Gliederung

Uebereinstimmung zwischen Installations- und Software-Einheiten

Geteilte Ressourcen bilden eigene Einheiten Minimale Wechselwirkung zwischen

Einheiten der gleichen Hierarchieebene Abschalt- und Sicherheitsabschaltbereiche

decken sich mit den Steuereinheiten

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Grundsätze zur Gliederung

Implementierungsunabhängige Wechselwirkungen zwischen Einheiten der gleichen Hierarchieebene

Bildung von mehrfach verwendbaren Einheiten Einfache, minimale Parametrierung der

Einheiten

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Grundsätze zur Gliederung

Stufengerechte Verteilung der Teilaufgaben Steuereinheiten müssen als Einheit sinnvoll

bedient werden können

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Implementierung

Variablen Namen typische Frameworks (Bsp Zustandsautomaten

mit case und Schaltbedingung) Komponententechnologien

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StandardisierungUebertragung von Variablenwerten:

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Zu beachten!

Nicht alle OPC-Server realisieren alle im Standard geforderten Interface (z.B. Asynchroner Transfer)

je nach Konfiguration kann ein OPC-Server 90% der CPU-Last auffressen

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Standardisierung auf Applikationsniveau

Spezifisch Werkzeugmaschinen OSACA association (EU) HÜMNOS (D) OAC/MOS (USA) OSEC (Japan)

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Standardisierung auf Systemniveau

Open Control(Namhafte Hersteller von Geräten der

Automatisierungstechnik)

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Wege zum Automationskonzept

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Vorgehen:Von den Operationen zu den

Grundfunktionen

E in ze lg e rä te -s teu e ru n g

G ru n d fu n k tio n

T e ilan lag e n -s teu e ru n g

A n lag en s te u eru n g

G erä t

O p e ra tio n

Z e lle

A n lag e

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Beispiel:

R undtisch V ereinze lung

Zubringen undPositionie ren

B earbeitung 1

Bearbeitung 2

B earbeitung 3

B earbeitung 4

Bearbeitung 5

W egbringen Zubringen

S peicher

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Analyse des Transportsystems:

V ere inze ln Zubringen S pe icherem pfangen

S pe ichersenden R undtisch W eg-

bringen

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04/26/23 Seite 49

Struktur Te ilan lage

R und tischbearbe itung

V orbe re itung

V ere inze ln

Zubringen

Spe iche rn

Bearbe itungs-transport

S pe icherleeren

R und tisch

W egbringen

B earbe itung 1B earbe itung 2Bearbe itung 3B earbe itung 4

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Vergleichen Sie:Te ilan lage

R undtischbea rbe itung

V orbe re itung

V ere inze ln

Zub ringen

S pe iche rn

B earbe itungs-transport

S pe iche rleeren

R undtisch

W egbringen

B earbe itung 1B earbe itung 2B earbe itung 3B earbe itung 4

Te ilan lageR und tischbearbe itung

V o rbere itung

V e re inze ln

Zub ringen

S peiche rn

B earbe itungs-transport

S pe iche rlee ren

R und tisch

W egb ringen

B earbe itung 1B earbe itung 2B earbe itung 3B earbe itung 4

S pe iche r

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Beispiel aus der Verfahrenstechnik

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Objektorientierte Prinzipien

Heiz/K ühl-G rundfuktionen

R eaktorenhzgD oppelm antel K ühler Begle ithzg

K lasse Heizen/Kühlen

Anw endungs-klassen

R eaktorenhzgKessel II

O bject/Instanz

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Interface-Standardisierung

OSACA OPC

O bject1Interface1

In terface2

Interface3