18.06.2015Seite 1 Automationskonzepte. 18.06.2015Seite 2 Entwerfen, Erstellung und Wartung von...
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04/26/23 Seite 1
Automationskonzepte
04/26/23 Seite 2
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
04/26/23 Seite 4
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
04/26/23 Seite 6
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
04/26/23 Seite 15
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
04/26/23 Seite 16
Betriebsarten
manuell
frei
automatisch:(auto)
AnforderungHand
AnforderungAutomatik
Freigabe
Spezialanforderung Hand
aufwendiger
gesperrt
sperren
Freigabe
Freigabe
einrichteneinrichten
Freigabe
04/26/23 Seite 17
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
04/26/23 Seite 18
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
04/26/23 Seite 23
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
04/26/23 Seite 26
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
04/26/23 Seite 27
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
04/26/23 Seite 30
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
04/26/23 Seite 32
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
04/26/23 Seite 33
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
04/26/23 Seite 34
Teilanlagensteuerung
Steuerung einer Maschinengruppe oder Station
Steuert Grundfunktionen mittels Fahrweisen und Parameter
Oft auch eine Steuerungs-HardwareeinheitEinzelgerätesteue-
rung / Modul
Maschine /Grundfunktion
Teilanlage / Zelle
Anlage
04/26/23 Seite 35
Anlagensteuerung
Koordiniert die Teilanlagensteuerungen oder Fertigungszellen
Realisiert als Koordinationssteuerung und LeitsystemeEinzelgerätesteue-
rung / Modul
Maschine /Grundfunktion
Teilanlage / Zelle
Anlage
04/26/23 Seite 36
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
04/26/23 Seite 37
Grundsätze zur Gliederung
Implementierungsunabhängige Wechselwirkungen zwischen Einheiten der gleichen Hierarchieebene
Bildung von mehrfach verwendbaren Einheiten Einfache, minimale Parametrierung der
Einheiten
04/26/23 Seite 38
Grundsätze zur Gliederung
Stufengerechte Verteilung der Teilaufgaben Steuereinheiten müssen als Einheit sinnvoll
bedient werden können
04/26/23 Seite 39
Implementierung
Variablen Namen typische Frameworks (Bsp Zustandsautomaten
mit case und Schaltbedingung) Komponententechnologien
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StandardisierungUebertragung von Variablenwerten:
04/26/23 Seite 41
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
04/26/23 Seite 42
Standardisierung auf Applikationsniveau
Spezifisch Werkzeugmaschinen OSACA association (EU) HÜMNOS (D) OAC/MOS (USA) OSEC (Japan)
04/26/23 Seite 43
04/26/23 Seite 44
Standardisierung auf Systemniveau
Open Control(Namhafte Hersteller von Geräten der
Automatisierungstechnik)
04/26/23 Seite 45
Wege zum Automationskonzept
04/26/23 Seite 46
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
04/26/23 Seite 47
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
04/26/23 Seite 48
Analyse des Transportsystems:
V ere inze ln Zubringen S pe icherem pfangen
S pe ichersenden R undtisch W eg-
bringen
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
04/26/23 Seite 50
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
04/26/23 Seite 52
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
04/26/23 Seite 53
Interface-Standardisierung
OSACA OPC
O bject1Interface1
In terface2
Interface3