DIN EN 61131 Ein abstraktes, vereinheitlichendes Modell einer speicherprogrammier-baren Steuerung (SPS)

Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Automatisierungstechnik, Professur Prozessleittechnik

VL Prozessleittechnik I (SS 2012) Professur für Prozessleittechnik

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Übersicht

• Einführende Beispiele der Anlagensicherung • Speicherprogrammierbare Steuerungen • DIN EN/IEC 61131 Modell

– Architekturmodell – Programmorganisationseinheit – Variablenzugriffe

• DIN EN/IEC 61131 Fachsprachen (nächster Termin)

– Textorientierte Fachsprachen – Grafische Fachsprachen

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Beispiel 1: Turboverdichter (Stohrmann 2004, S.13)

•Abschaltung –Enddruck hoch (PZ+ 1) –Saugdruck tief (PZ- 1) –Öldruck tiefst (PS-Z-- 3) –Füllstand tief (LZ+ 1) –Durchfluss tief (FZ- 1)

•Einschalten Hilfsölpumpe –Öldruck tief (PS-Z-- 3)

•Einschalten verriegeln –TV zu heiß (TA+Z++ 1) –Öl zu kalt (TZ- 2) –Umgang zu (GZ- 1)

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Beispiel 2: Industrieofen (Strohrmann 2004, S.14)

•Betriebstemperatur unter 650°C

–Keine sichere Zündung nach kurzzeitigem Ausfall vor der Bildung eines explosiven Gemisches

•Gas- und Luftmangelsicherung

–PZ- 1 –PZ- 2

• Flammenwächter –XZ- 1; 2 von 2

•Rückzündungsvermeidung –QZ+ 1; 1 von 2

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Elemente von Sicherungseinrichtungen (Strohrmann 2004, S.16)

• Aufnehmer, Messsignalkanal, Messumformer Grenzsignalgeber, Signalverarbeitung Meldekanal mit Meldern, Auslösekanal mit Auslösern

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Verbindungsprogrammierte Steuerung

•Verdrahtung von –Relais –Schütz

•Vorteil –Parallele Verarbeitung

aller Signale •Nachteil:

–Verdrahtung = Programm –Änderung der Logik:

Änderung der Verdrahtung notwendig!

K1

K1 K1 S1

S2

S3

S4

H1

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Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)

•Rechner mit Ein/Ausgängen

•Rechentechnische Verknüpfung der Signale

–Nur quasiparallele Abarbeitung möglich (CPU=SISD)

–Änderung der Logik: Lediglich Neu-programmieren des Steuerprogramms notwendig

Automatisierungseinheit

S3 S2 S4 S1

H1

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Programmbeispiel: Verknüpfung von Binärsignalen

• WENN beide Eingänge E 5.2 und E 4.7 auf 1 • DANN setze Ausgang A 8.5 auf 1 • SONST setze Ausgang A 8.5 auf 0

• Umsetzung in AWL Programmiersprache ( IEC 61131) • LD %IX5.2 ; Lade Bitwert von Eingang 5.2 • AND %IX4.7 ; UND-Verkn. mit Eingang 4.7 • ST %QX8.5 ; Ergebnis nach Ausgang 8.5

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Sicherheitsgerichtete Funktionen der Leittechnik

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Definition SPS DIN EN 61131 Teil 1

• „[…] Ein digital arbeitendes elektronisches System für den Einsatz in industriellen Umgebungen mit einem programmierbaren Speicher zur internen Speicherung der anwenderorientierten Steuerungsanweisungen zur Implementierung spezifischer Funktionen wie z.B. Verknüpfungssteuerung, Ablaufsteuerung, Zeit-, Zähl- und arithmetische Funktionen, um durch digitale oder analoge Eingangs- und Ausgangssignale verschiedene Arten von Maschinen und Prozessen zu steuern. […]“

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I&KT rund um die SPS

SPS

Aktoren Sensoren

Feldbusse

Aktoren

Sensoren

SPS

Visualisierung Prozeßrechner

Speicherprogrammierbare Steuerungen

• Befehlssatzarchitektur • Funktionsweise • Zykluszeiten

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Ein Blick in das Steuergerät

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Zyklische Funktionsweise (SPS-Modus)

Initialisierung ProzessabbildAusgänge

Einlesen der Eingänge ProzessabbildEingänge

Abarbeiten von Operationen der Programmbausteine

Typische Bearbeitungszeiten: 1µs Bitoperationen 2µs Wortoperationen12µs Zeit/Zähloperationen 3µs Festpunktaddition50µs Gleitpunktaddition

Schreiben der AusgängeProzessabbild

Ausgänge

Eingänge

Ausgänge

Ausgänge

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Prozessabbild

• Speicherbereich zur Aufnahme der Signalwerte der Ein- und Ausgänge

– Eingabewerte werden zu Beginn eingelesen, zwischenzeitliche Änderungen während Programmzyklus ignoriert!

– Ausgabewerte werden zwischengespeichert, d.h. Änderungen während der Programmabarbeitung sind nach außen nicht sichtbar!

• Manche SPSen erlauben direkten Zugriff auf die Prozesssignale

– Üblicherweise langsamer als direkter Zugriff auf PA – In IEC61131 nicht standardisiert

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Minimale Impulszeit, maximale Reaktionszeit

LD %IX0.1ST %QX0.1

... ...

Eingängelesen

Ausgängeschreiben

Zykluszeit

%IX0.1

%QX0.1

Worst Case Reaktionszeit= 2 x Zykluszeit

Impuls zu kurz

Komponenten einer modularen SPS

• Übersicht • Baugruppen • Zykluszeiten

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Modularer Aufbau einer SPS

CPU-Baugruppe

Eingangsbaugruppen

Ausgangsbaugruppen

Kommunikationsbaugruppen

Funktionsbaugruppen

Stromversorgung

optional

Programmier- gerät

Bedieneinheit

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Stromversorgung

• Bereitstellung der Betriebsspannung

– 5 / 10 / 24V • Ggf. zusätzliche Wandler

für Leistungsbaugruppen • Batterie zur

Speicherpufferung

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CPU-Baugruppe

•Prozessor •Speicher •Schlüsselschalter •EPROM mit Programm (optional) •Speicherkarte •Programmierschnittstelle (optional)

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Eingabebaugruppen

•Digitaleingabebaugruppen –DC 24 V, AC 120/230 V, f<50 Hz –Potentialtrennung mit Optokopplern –Entstörmaßnahmen –Lokale Anzeige mit Leuchtdioden

•Analogeingabebaugruppen –Spannung (+- 10V) –Strom (4 bis 20 mA) –Widerstand (0…300 Ohm) –Thermoelement (E, N, K) –Widerstandsthermometer ( Pt 100, …) –Auflösung 9-15 Bit + Vorzeichen, Messbereich, Grenzwerte parametrierbar

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Ausgabebaugruppen

•Digitalausgabebaugruppe –Lastspannung DC24V, AC120/230V –Spezifizierte Strombelastbarkeit –Potenzialtrennung –Lokale Anzeigen –f < 100 Hz

• Analogausgabebaugruppen –Spannung (+- 10 V) –Strom (0 bis 20 mA) –Auflösung 12-15 bit –Alarmierung bei Fehlern

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Kommunikationsbaugruppen

•Feldbusse (ASI, Profibus ...) •Industrial Ethernet •Programmierschnittstellen •Serielle Schnittstellen

–RS232, RS422, RS485 –z.B. für Waagen

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Funktionsbaugruppen

•Positionierbaugruppen •Reglerbaugruppen •Nockensteuerwerke •Zählerbaugruppen •Uhrenbaugruppen •Bildauswertungsmodul •usw.

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Bedieneinheiten

•Operator Panels •Touch Screens •Text Displays •Tastaturen

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Programmiergeräte

•Handprogrammiergeräte: –kleinere Projekte, z.B. Fehlersuche, Kontrolle und Anpassung vor Ort –überwiegend textbasierte Programmierung

•Bildschirmprogrammiergeräte –große Funktionalität –gute Debugging-Möglichkeiten –übersichtliche Darstellung –grafische Programmierung –Simulation

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Gibt es die SPS?

• Mehr als 100 verschiedene Hersteller • Verschiedene Grundtypen

– Modulare SPS: Wie vorgestellt, Bausteinkonzept – Kompakt SPS: alle Funktionen in einem Block – Slot SPS: SPS als Steckkarte eines Industrie PCs – Soft SPS: SPS als Software auf einem Industrie

PC, Ankopplung an Prozess über IO-Karten • Auswahlkriterien

– Preis (Anschaffung, Projektierung, Wartung, Ersatz) – Funktionalität (Leistung µP, Baugruppen,

Erweiterbarkeit, Ausfallsicherheit, Zertifizierbar) – Integration (CAE, Programmiersystem, Kommunikation)

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Herstellerübersicht: Industrie PC als SPS

www.beck-ipc.com

www.festo.de

www.ferrocontrol.de

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Herstellerübersicht 2

www.keyence.com www.kuhnke.de

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Herstellerübersicht 3

www.schneiderelectric.com www.phoenix-contact.de

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Herstellerübersicht 4

www.siemens.de www.moeller.net

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Kompatibilitätsprobleme

• Viele (>100) Hersteller von SPS, mit proprietären Standards, die Vor- und Nachteile bieten.

• Nachteil: Anwender müssen häufig mit SPS-Systemen verschiedener Hersteller gleichzeitig arbeiten können

• Schulung, Fehler, … • Kommunikation verschiedener SPS-Systeme

untereinander nur bedingt möglich • Kompatibilität zwischen alten und neuen Systemen?

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Lösungsansatz IEC 61131

• DIN EN 61131 (IEC 61131) legt in 5 Blättern eine weltweite einheitliche Basis der SPS-Technik fest.

– Begriffsbestimmungen und Funktionsmerkmale – Elektrische, mechanische und funktionelle

Anforderungen – Fünf Programmiersprachen – Anwenderrichtlinien für alle Projektphasen – Kommunikation von SPSen unterschiedlicher Hersteller

• Die Implementierung der Norm ist bei den Herstellern noch nicht abgeschlossen !

• PLCOpen – Gesellschaft zur Förderung herstellübergreifender PLC-Programmierung

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Ein wenig Geschichte… (John & Tiegelkamp 2001)

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61131-3 SPS-Softwaremodell

Konfiguration

RessourceRessourceTask Task

Programm Programm

FB FB

Task Task

Programm Programm

FB FB

Global und direkt dargestellte Variablen und Instanz-spezifische Initialisierungen

Zugriffspfad

Pfad des Variablenzugriffs

Variable

Pfad der Ausführungs-Steuerung

FunktionsbausteinFB

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61131-3 Softwaremodell

• Konfiguration: – SPS-System, enthält ggf. mehrere Ressourcen (~SPS)

• Ressource: – Signalverarbeitungsfkt incl. Sensor/Aktorschnittstellen

(~CPU+IO-Bus) – Enthält ggf. mehrere Programme

• Programm – wird unter Steuerung von Tasks ausgeführt – Kann mehrere Funktionsbausteine oder andere

Sprachelemente enthalten

Konfiguration

RessourceRessourceTask Task

Programm Programm

FB FB

Task Task

Programm Programm

FB FB

Global und direkt dargestellte Variablen und Instanz-spezifische Initialisierungen

Zugriffspfad

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61131-3 Softwaremodell: Starten/Stoppen von Konfiguration und/oder Ressourcen

• Starten einer Konfiguration – Schritt 1: Initialisierung der globalen Variablen – Schritt 2: Starten aller Ressourcen

• Starten einer Ressource – Schritt 1: Initialisierung aller Variablen der Res. – Schritt 2: Freigabe aller Tasks der Res.

• Stoppen einer Ressource – Sperren aller Tasks

• Stoppen einer Konfiguration – Stoppen aller Ressourcen

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Anfangswerte der Variablen beim Starten eines Konfigurationselements

• Verschiedene Anfangswerte möglich: – gepufferter Wert (als das KE gestoppt wurde - RETAIN), – anwender-spezifizierten Anfangswert, – voreingestellter typ-spezifischer Anfangswert

• Regeln zur Ermittlung des Anfangswertes – Warmstart: gepufferte V nehmen gepufferte Werte an – Kaltstart: gepufferte V nehmen anw-spez Wert ein,

wenn nicht definiert typ-spez Wert – Nichtgepufferte V nehmen anw-spez Wert ein, wenn

nicht definiert typ-spez Wert – Eingangsvariblen werden implementierungsabhängig

initialisiert

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Wiederanlauf nach Spannungsausfall oder Störung

• Kaltstart: Alle dynamischen Daten (Variablen, Register, Zähler, Zeitglieder, Prozessabbid) werden auf definierten Zustand zurückgesetzt

– Automatisch oder manuell • Warmstart: Wiederanlauf von einem vorbestimmten

Zustand des Anwendungsprogramms und vorbestimmer Menge an Rest-Daten

– Status-Merker zur programmtechnischen Berücksichtigung

• Heißstart: Alle dynamischen Daten sind unverändert – Netzunabhängige Echtzeituhr, um Zeit seit Stromausfall

bestimmen zu können

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Programmorganisationseinheiten (POE)

• Programm (PRG): Hauptprogramm – Zuordnung der Peripherie – Globalen und lokale Variablen – Kann FB und FC aufrufen

• Funktionsbaustein (FB): Baustein – Eingangs- und Ausgangsvariablen – statische Variablen (= Gedächtnis) – Kann FB und FC aufrufen

• Funktion (FC): Unterprogramm – Eingangs- und Ausgangsvariablen – Darf keine internen Zustandgrößen besitzen – Kann weitere FC aufrufen