SPS-Programmierung einer Mischanlage · hierzu unter PLC Ressource Properties und nehmen folgende...

Fakultät für Informatik und Automatisierung

Institut für Automatisierungs- und Systemtechnik

Fachgebiet Automatisierungssysteme

Prof. Matthias Althoff (JP)

SPS-Programmierung einer

Mischanlage

Fachgebiet Automatisierungssysteme Praktikum Mischanlage

1

Inhaltsverzeichnis

1. ZIELSTELLUNG 2

2. GRUNDLAGEN 2

2.1 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINER SPS 2

2.2 DIE NORM IEC 61131-3 3

2.2.1 PROGRAMMIERSPRACHEN 3

2.2.2 PROGRAMMORGANISATIONSEINHEITEN (POE) 4

2.2.3 VARIABLENARTEN 5

2.3 VERWENDETE SOFTWARE 6

2.3.1 OPENPCS 6

2.3.2 SIPN-EDITOR 7

2.3.3 SIEMENS SIMATIC STEP 7 11

2.3.3.1 SIMATIC MANAGER 11

2.3.3.2 SIMATIC KOP/AWL/FUP-EDITOR 12

2.3.3.3 SIMATIC S7-GRAPH 12

2.4 DER VERSUCHSAUFBAU 13

3. VORBEREITUNG 15

3.1 AUFGABE ZUR VORBEREITUNG 15

4. DURCHFÜHRUNG 15

4.1 AUFGABEN 17

5. ANHANG 19

5.1 FLUSSDIAGRAMM DES VERSUCHSAUFBAUS 19

5.2 SYMBOLTABELLE 20


2

1. Zielstellung

Dieses Praktikum dient zur Anwendung und Vertiefung der in der Vorlesung

„Automatisierungstechnik 1“ vermittelten Kenntnisse zur Programmierung einer SPS mittels

der Normsprachen der IEC-Norm 61131-3. Dazu steht ein Versuchsaufbau mit 3 Tanks zur

Verfügung, dessen Aktoren und Sensoren über eine Siemens-SPS angesteuert und

ausgelesen werden können. Ebenso wird der Umgang mit der weit verbreiteten Siemens-

Software STEP 7 erlernt.

Aufgabe ist die Realisierung einer Steuerung zum Mischen von Flüssigkeiten. Dabei werden

die entworfenen Varianten erst als Petrinetz modelliert und dann zum Testen simuliert.

Danach wird das Petrinetz in die Ablaufsprache der IEC 61131-3 überführt und mittels der

Software Simatic Step 7 auf die Siemens-SPS übertragen.

Schritt für Schritt wird der Funktionsumfang der Steuerung erweitert, bis die volle

Funktionalität der Anlage genutzt wird.

2. Grundlagen

2.1 Aufbau und Funktionsweise einer SPS

Eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) wird zur Steuerung oder Regelung einer

Maschine oder Anlage eingesetzt. Hardwareseitig besteht sie aus den für einen Computer

typischen Komponenten. Dazu gehören eine Stromversorgung, eine Zentraleinheit (CPU),

EEPROM-Speicher, RAM-Speicher und verschiedene Ein-, Ausgangs- und

Funktionsbaugruppen, sowie eine Schnittstelle zum Programmieren über einen PC.

Die Bauform einer SPS kann sehr unterschiedlich sein, zum Beispiel als Steckkarte für den

PC oder als Einzelgerät. Am gebräuchlichsten sind modulare Lösungen, wie bei der im

Praktikum verwendeten Siemens ET200 S.

Abbildung 1: Siemens ET200S


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Die Software einer SPS besteht aus einem Echtzeitbetriebssystem und vorgefertigten

Bausteinen, die verschiedene Grundfunktionen realisieren, wie z.B. Zeitfunktionen, Addierer,

Multiplizierer.

Die Anbindung einer SPS an eine Anlage erfolgt mittels Sensoren und Aktoren, die an die

entsprechenden Ein- / Ausgangsbaugruppen angeschlossen werden. Die anliegenden

Signale werden in analoge und digitale Signale unterteilt.

Die Abarbeitung eines SPS-Programms erfolgt bei einem Großteil der SPS-Geräte

zyklusorientiert. Nach Feststellung der Betriebsbereitschaft aller angeschlossenen

Baugruppen werden alle Eingänge abgefragt. Danach wird das Anwenderprogramm

gestartet und ermittelt aufgrund der anliegenden Eingänge die zu schaltenden Ausgänge.

Nach Abschluss des Anwenderprogramms geht die Kontrolle wieder an das Betriebssystem

über, welches die Ausgangsbaugruppen entsprechend ansteuert. Jetzt ist ein Zyklus

abgeschlossen und ein neuer Zyklus wird gestartet.

Neben den zyklusorientierten gibt es auch ereignisgesteuerte SPS, die alle eintretenden

Ereignisse auflisten und in der Reihenfolge des Auftretens entsprechende Teile des

Anwenderprogramms abarbeiten.

Mit dem Programmieren von SPS befasst sich die im Folgenden beschriebene Norm.

2.2 Die Norm IEC 61131-3

Die Norm IEC 61131-3 befasst sich mit Grundlagen zu speicherprogrammierbaren

Steuerungen einschließlich deren Peripherie, Programmier- und Testwerkzeugen.

Der für dieses Praktikum relevante Teil sind die 5 Programmiersprachen, die in dieser Norm

enthalten sind:

2.2.1 Programmiersprachen

Anweisungsliste (AWL)

Die Anweisungsliste ist eine sehr maschinennahe Programmiersprache, ähnlich der

Assemblerprogrammierung. Einzelne Anweisungen entsprechen den Arbeitsschritten, die bei

der Abarbeitung des Programms von der CPU durchgeführt werden. Die Operatoren in AWL

besitzen immer nur einen Operanden, deshalb ist die Strukturierung von Programmen nur

sehr umständlich über Sprungbefehle zu realisieren. Die damit erstellten Programme

belegen nur wenig Speicherplatz, was sich bei Speicherknappheit als Vorteil erweist. Ebenso

lassen sich in AWL gut laufzeitoptimierte Programme erstellen.

Viele Hersteller verwenden für ihre eigenen Programmiersprachen ebenfalls den Begriff

AWL, obwohl sie nicht exakt mit der IEC 61131-3 übereinstimmen. Dies ist auch bei Siemens

STEP 7 der Fall.

Heutzutage verliert AWL auf Grund genannter Nachteile immer mehr an Relevanz.


4

Strukturierter Text (ST)

Strukturierter Text ist eine höhere Programmiersprache, die im Gegensatz zu AWL durch

ihren PASCAL-artigen Aufbau die Programmierung von Schleifen und bedingten

Verzweigungen vereinfacht. Deshalb eignet sich Strukturierter Text gut für

Formelberechnungen, komplexe Optimierungsalgorithmen oder die Verwaltung größerer

Datenmengen. Durch ihre besseren Strukturierungsmöglichkeiten löst sie AWL immer mehr

ab.

Funktionsbausteinsprache (FBS) oder Funktionsplan (FUP)

Bei der Funktionsbausteinsprache, die auch oft als Funktionsplan (FUP) bezeichnet wird,

handelt es sich um eine grafische Programmiersprache. Sie nutzt die Logiksymbole der

Booleschen Algebra zur Darstellung. Die Programmlogik lässt sich durch die Visualisierung

in logischen Boxen relativ leicht nachvollziehen. FBS eignet sich durch ihren Aufbau gut für

Verknüpfungssteuerungen, ist aber für Ablaufsteuerungen ungeeignet.

Kontaktplan (KOP)

Bei dem Kontaktplan handelt es sich um eine grafische Programmiersprache, die

Stromlaufplänen nachempfunden ist. Sie ist insbesondere für Verknüpfungssteuerungen

geeignet. Mit in Reihe geschalteten Elementen kann eine UND-Verknüpfung und mit parallel

geschalteten eine ODER-Verknüpfung realisiert werden. Der Kontaktplan eignet sich ähnlich

der FBS durch seinen Aufbau gut für Verknüpfungssteuerungen, ist aber ebenfalls für

Ablaufsteuerungen ungeeignet.

Ablaufsprache (AS)

Bei der Ablaufsprache handelt es sich um eine Programmiersprache, die in ihrer Form einem

Petrinetz ähnelt. Sie besteht aus Steuerungsschritten, in denen bestimmte Aktionen

ausgeführt werden und Schaltbedingungen (Transitionen), die bei bestimmten

Eingangssignalen das Weiterschalten von einem zum nächsten Schritt ermöglichen. Sie ist

gut geeignet für Fehleranalyse, da jeder aktuelle Steuerungsschritt und die entsprechenden

Transitionsbedingungen jederzeit visualisiert werden. Vor allem bei großen

Steuerungsanlagen ist sie sehr verbreitet. Unter Siemens STEP 7 wird die Ablaufsprache als

S7 Graph bezeichnet.

2.2.2 Programmorganisationseinheiten (POE)

Unabhängig von den Programmiersprachen sind folgende drei Programmorganisations-

einheiten (POE) definiert:

Programm (program): Hauptprogramm, welches Funktionsbausteine und Funktionen

enthält. Es verwaltet Ein- und Ausgänge der SPS und deklariert globale Variablen.

Funktionsbaustein (function block): Parametrierbare POE, deren Ergebnis von

inneren und externen Variablen abhängt. Er kann ein oder mehrere Ergebnisse liefern. Er

wird nur als Instanz (Kopie) aufgerufen.

Funktion (function): Parametrierbare POE, deren Ergebnis nur von externen Variablen

(deren Eingangswerten) abhängt.


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Der Name von POE’s ist projektweit bekannt und darf nicht mehrfach verwendet werden.

Lokale Unterprogramme, wie in höheren Programmiersprachen üblich, gibt es in der IEC

61131-3 nicht.

Figur 1: Aufbau einer POE

2.2.3 Variablenarten

Variablen sind nach Möglichkeit immer lokal zu definieren, um Auswirkungen von

Programmierfehlern lokal zu halten und die Fehlersuche zu vereinfachen.

Kurzbeschreibung der Variablenarten:

VAR, VAR_TEMP: Lokale Variable, die nur innerhalb der POE sichtbar ist.

VAR_INPUT: Eingangsvariable, die nur innerhalb der POE definiert und dort nur

lesbar ist (call-by-value).

VAR_OUTPUT: Ausgangsvariable, die außerhalb der POE lesbar, innerhalb les- und

schreibbar ist (call-by-value).

VAR_IN_OUT: Ein- und Ausgangsvariable, die intern und extern les- und schreibbar

ist (call-by-reference).

VAR_GLOBAL: Globale Variable, die in einer Konfiguration deklariert wird. Kann von

anderen POE’s gelesen und geschrieben werden. Dazu muss die Variable in den

POE’s als VAR_EXTERNAL mit identischem Namen deklariert sein.

VAR_EXTERNAL: siehe VAR_GLOBAL

VAR_ACCESS: Kommunikationskanal zwischen Ressourcen. Innerhalb einer POE

wie eine globale Variable benutzbar.

PROGRAM Name bzw.

FUNCTION_BLOCK Name bzw.

FUNCTION Name

Deklarationsteil:

Eingangsvariablen, Ausgangsvariablen, lokale Variablen, etc.

Anweisungsteil:

Programmierung der Funktion in AWL, ST, FBS, KOP, AS


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S: schreibend, L: lesend, SL: schreibend und lesend, *: nur schreibend als Formalparameter

beim Aufruf.

2.3 Verwendete Software

Im Verlauf des Praktikums werden für die verschiedenen Aufgaben mehrere Programme

benötigt. Dazu ein paar Hinweise zum Gebrauch und Download.

Bei Bedarf, wird ein Rechner im Fachgebiet zur Verfügung gestellt.

2.3.1 OpenPCS

Um im Praktikum Petrinetze zu simulieren, verwenden wir das Programm OpenPCS,

welches eine Software-SPS zur Verfügung stellt. An dieser können während der Simulation

mit dem SIPN-Editor die entsprechenden Eingänge gesetzt werden, um zu testen ob sich

das modellierte Petrinetz korrekt verhält.

Zum Download geht es über folgenden Link (Passwort benötigt):

http://www.tu-ilmenau.de/at/startseite/

Eine neuere Version ist auch über die Herstellerseite verfügbar. Da aber der SIPN-Editor

nicht weiterentwickelt wird, könnte es bei der Verwendung neuerer Versionen zu

Inkompatibilitäten kommen. Deshalb nutzen Sie bitte die Version im Downloadbereich der

Fachgebietsseite.

Installationshinweise (nur für Microsoft Windows):

Zur Installation führen Sie die heruntergeladene „openPCS6.54e.exe“ aus und folgen dem

Installationsassistenten. Danach ist ein neues Projekt zu erstellen. Dazu starten Sie

OpenPCS über die auf dem Desktop angelegte Verknüpfung, wählen unter File „New…“

aus. Im sich nun öffnenden Auswahldialog wählen sie in der linken Spalte „Projects“ aus. In

der rechten Spalte muss danach „Empty Project“ markiert sein. Geben Sie dem neuen

Projekt einen Namen und wählen Sie den Speicherort aus.

Variablenart definiert für Zugriffsrechte Programm Funktionsbaustein Funktion extern intern

VAR - SL VAR_INPUT * L

VAR_OUTPUT L SL VAR_IN_OUT SL SL

VAR_EXTERNAL SL SL VAR_GLOBAL SL SL VAR_ACCESS SL SL

VAR_TEMP - SL

http://www.tu-ilmenau.de/at/startseite/


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BITTE BEACHTEN: Den

Pfad zum Projektordner

bitte notieren, da Sie in

diesen den SIPN-Editor

installieren müssen.

Nach einem Klick auf „OK“

ist ein neues Projekt

angelegt.

Nun muss OpenPCS

entsprechend konfiguriert

werden. Wählen Sie

hierzu unter PLC

Ressource Properties und

nehmen folgende

Einstellungen vor:

OpenPCS sollte jetzt korrekt konfiguriert sein. In Verbindung mit dem SIPN-Editor folgen

noch einige weitere Einstellungen an entsprechender Stelle.

2.3.2 SIPN-Editor

Der SIPN-Editor wurde uns freundlicherweise von der Universität Kaiserslautern zur

Verfügung gestellt. Mit ihm werden im Praktikum signalinterpretierte Petrinetze modelliert

und simuliert, die dann im späteren Verlauf auf die SPS übertragen werden.

Um die Petrinetze zu simulieren muss zusätzlich das Programm OpenPCS installiert sein.

Zum Download geht es über folgenden Link (Passwort benötigt):

http://www.tu-ilmenau.de/at/praktikum/

Installationshinweise:

Als Voraussetzung zum Starten des Editors muss das Java Development Kit installiert sein

(Download). Zur Installation entpacken Sie das heruntergeladene Archiv in einen zuvor

erstellten Projektordner von OpenPCS, da sonst die Simulation von Petrinetzen nicht

gestartet werden kann. Nach dem Entpacken ist in der petri.bat der Installationspfad des

SIPN-Editors anzupassen. Dies geschieht durch einen Rechtsklick auf petri.bat und

Abbildung 2: Neues Projekt erstellen unter OpenPCS

Abbildung 3: Konfiguration von OpenPCS

http://www.tu-ilmenau.de/at/praktikum/http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/index.html


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Auswählen von „Bearbeiten“. Danach muss unter set BASE der entsprechende Pfad

eingetragen werden. Zum Starten des SIPN-Editors ist die petri.bat auszuführen.

Petrinetze erstellen

Um ein leeres Petrinetzprojekt zu erstellen, genügt ein Klick auf den - Button. Zum

Erstellen der einzelnen Elemente eines Petrinetzes gibt es in der Bedienleiste die folgenden

vier Symbole für Plätze, Transitionen, Kanten und Marken.

Nach Auswahl des entsprechenden Symbols, genügt ein Klick in das Projektfenster um

einen Platz, eine Transition oder eine Marke zu erstellen. Beim Erstellen eines Platzes oder

einer Transition wird man direkt nach dem Mausklick dazu aufgefordert, einen Namen

einzugeben. Plätze und Transitionen verbindet man durch Kanten, indem man das erste

Element mit einem Linksklick auswählt und das zweite mit einem Rechtsklick. Knickpunkte

können durch zusätzliche Linksklicks eingefügt werden, bevor durch betätigen der rechten

Maustaste das Erstellen der Kante abgeschlossen wird. Um einen Platz mit einer Marke zu

füllen, genügt ein Klick in den entsprechenden Platz bei angewähltem Marken-Button.

Zum Bearbeiten einzelner Plätze und Transitionen,

sind diese bei aktiviertem - Button auszuwählen.

Über „Edit properties“ am linken Rand des Programm-

Fensters wird das folgende Einstellungsfenster

aufgerufen. Der im Comment-Feld eingetragene Text,

erscheint neben dem Platz bzw. der Transition. Im

Code-Feld wird bei Plätzen eingetragen, wie die

Ausgänge zu setzen sind und bei Transitionen, unter

welchen Bedingungen sie schalten. Dazu gibt es

folgende Befehle:

Platz Transition

S (Ausgang setzen)

R (Ausgang zurücksetzen)

AND

ANDN (= AND NOT)

OR

ORN

XOR

XORN

In einer Zeile darf dabei immer nur ein Befehl gefolgt von einer Variablen stehen. Im Fall

einer Transition muss der erste Befehl immer ein AND oder ANDN sein. Außerdem dürfen

Klammern genutzt werden.

Abbildung 4: Edit properties


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Die genutzten Variablen können über den - Button erstellt und editiert werden. Unter

„Name“ wird der Variablenname, unter „Kind“ der Variablentyp (IN, OUT oder INOUT) und

unter „Type“ der Datentyp (meist BOOL) eingetragen. Im Feld „Assigned“ wird ein

physikalischer Ein- bzw. Ausgang der virtuellen SPS zugewiesen. Dies geschieht in

folgender Form:

%IX0.0 für Eingänge

%QX0.0 für Ausgänge

Bei 0.0 steht die erste Ziffer für das virtuelle SPS-Modul (hier 0 oder 1). Ein- und Ausgänge

werden separat nummeriert. Die zweite Ziffer steht für den jeweiligen Anschluss des Moduls,

wobei jedes 16 Anschlüsse besitzt.

Simulation mit OpenPCS

Um die Simulation eines Petrinetzes

durchzuführen, ist OpenPCS vor dem Starten

des SIPN-Editors auszuführen. Ist das zu

simulierende Petrinetz erstellt, wird es mit

einem Klick auf den „IL-Button“ in eine

Anweisungsliste umgewandelt.

Den erstellten Programmcode legt der Editor in

der Datei MAIN.poe ab, welche automatisch von

OpenPCS in das Projekt eingelesen wird. Danach

ist die MAIN.poe noch der aktiven Ressource

zuzuweisen. Dies geschieht durch einen

Rechtsklick auf die Datei und Auswahl des

Menüpunktes „Link To Active Ressource“.

Abbildung 5: IL Button

Abbildung 6: Link To Active Ressource


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Nach der Zuweisung ist

der Task zu

konfigurieren. Dazu

wechselt man auf den

Reiter „Ressourcen“,

wählt mit einem

Rechtsklick den Eintrag

„MAIN“ aus und klickt auf

„Properties“. Dort sind

die Einstellungen wie auf

Abbildung 7 gezeigt zu

wählen.

Abschließend werden im SIPN-Editor unter Edit

Edit Preferences Simulation die Einstellungen wie

in folgender Abbildung übernommen.

Zum Starten einer Simulation betätigt man unter

OpenPCS den Online/Offline-Button in der

Bedienleiste oder unter PLC Online. Daraufhin

erscheinen 2 Abfragen die man mit „OK“ bestätigt und

die virtuelle SPS wird gestartet.

Die Inputs können durch

einen Mausklick auf die

entsprechende Adresse

gesetzt und zurückgesetzt

werden. Zum Simulieren

des erstellten Petrinetzes

im SIPN-Editor genügt ein

Klick auf den Button.

Die rot dargestellten Plätze

sind während der

Simulation aktiv.

Abbildung 7: MAIN Properties

Abbildung 8: SIPN-Editor Preferences

Abbildung 9: virtuelle SPS


11

2.3.3 Siemens SIMATIC STEP 7

Bedienhinweise zu den STEP 7 Programmen finden Sie in Auszügen aus der Siemens

Dokumentation als Download auf der Fachgebietsseite. Die komplette Dokumentation finden

Sie auf dem Praktikumsrechner unter Start Programme SIMATIC Dokumentation.

In allen Editoren können mit dem -Symbol in der oberen Bedienleiste geöffnete Bausteine

beobachtet werden.

2.3.3.1 SIMATIC Manager

Der SIMATIC Manager ist die Einstiegsoberfläche, mit der Projekte erstellt, Hardware

konfiguriert und SPS Programme geschrieben werden können. Bei hergestellter Online-

Verbindung zur projektierten SPS können laufende Programme beobachtet oder neue

hochgeladen werden. Damit bildet er die Grundlage zum Arbeiten mit einer Siemens SPS.

Die für das Praktikum relevanten Bereiche findet man

über die Projektbaumstruktur unter dem S7

Programmnamen (in diesem Fall „Mischanlage“) und

dem Ordner Bausteine.

Unter „Mischanlage“ findet man die für das symbolische Programmieren wichtige

Symboltabelle. Dort werden jedem physikalischen Ein- bzw. Ausgang der SPS ein Name

oder Symbol zugewiesen, welches dann zum Programmieren anstatt der physikalischen

Adresse verwendet werden kann.

Abbildung 11: Auszug aus der Symboltabelle

Die vollständige Symboltabelle finden Sie im Anhang.

Unter „Bausteine“ sind alle verwendeten Funktionen, Funktions- und Organisationsbausteine

zu finden. Ein Organisationsbaustein (OB) ist das Pendant zu einem Programm der IEC-

Norm 61131-3. Dies ist nicht der einzige Unterschied zur IEC-Norm, da auch die Sprachen

Anweisungsliste, Kontakt- und Funktionsplan von ihr abweichen. Nur die Ablaufsprache und

der Strukturierte Text sind normkonform.

Abbildung 10: Projektbaumstruktur im SIMATIC Manager


12

Je nach dem, in welcher der fünf Sprachen man einen Baustein erzeugt, öffnen sich

verschiedene STEP 7 Editoren.

2.3.3.2 SIMATIC KOP/AWL/FUP-Editor

Hier können Bausteine in den drei Sprachen Kontaktplan, Anweisungsliste und

Funktionsplan erstellt werden. Dabei werden die Eingaben sofort auf syntaktische Korrektheit

überprüft und Fehler angezeigt. Vor dem Abspeichern und Beenden des Editors sind alle

Fehler zu beseitigen.

Vor dem Erstellen eines Programms sind Symbole, die verwendet werden sollen, zu

definieren, da sonst der Baustein nicht übersetzt werden kann.

In folgendem Beispiel ist das gleiche Programm in den drei verschiedenen Sprachen

dargestellt. Die Pumpe „P101“ wir eingeschaltet, wenn Schalter „S111“ und „S112“ auf EIN

(1) sind oder wenn Schalter „S113“ auf AUS (0) ist.

Abbildung 12: Beispiel in FUP, KOP und AWL

2.3.3.3 SIMATIC S7-GRAPH

Mit diesem Editor ist es möglich Ablaufsteuerungen übersichtlich und schnell in

Ablaufsprache zu erstellen. Ein Prozess wird dabei in Schritte und Transitionen mit

überschaubarem Funktionsumfang zerlegt. In den Schritten werden auszuführende Aktionen

festgelegt und die Transitionen beinhalten die Bedingungen, um in den nächsten Schritt zu

schalten, ähnlich wie bei einem signalinterpretierten Petrinetz. Die Bedingungen der

Transitionen können entweder als Kontaktplan oder Funktionsplan definiert werden.

Folgende Abbildungen zeigen das Beispiel aus 2.3.3.2 als Petrinetz und als Ablaufsteuerung

in Ablaufsprache.

Abbildung 14: Petrinetz Abbildung 13: Ablaufsteuerung mit S7-Graph


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2.4 Der Versuchsaufbau

Die Versuchsanlage besteht aus drei Wassertanks, einem Drucktank und verschiedenen

Sensoren und Aktoren, die über ein Rohrleitungssystem miteinander verbunden sind. Durch

die entsprechende Anordnung der einzelnen Komponenten wird eine Mischanlage für das

Vermengen zweier Flüssigkeiten realisiert. Das folgende Flussdiagramm veranschaulicht

den Aufbau.

Abbildung 15: Flussdiagramm

Die Ansteuerung erfolgt über eine SPS des Modells ET200 S von Siemens. Diese ist

entweder direkt, über Messwandler oder Relais mit den folgenden Sensoren und Aktoren

verbunden.

Sensoren:

Digital:

vier Schwimmerschalter

zwei kapazitive Näherungssensoren

ein Not-Aus-Schalter

ein Durchflusssensor

Analog:

ein Durchflusssensor

ein Drucksensor

ein Ultraschallsensor zur Füllstandsmessung

zwei Temperatursensoren


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Aktoren:

Digital:

sieben Magnetventile

drei Pumpen

ein Heizstab

eine Fehler-LED

Analog:

ein Proportionalventil

eine Pumpe

Um die am PC erstellten Programme auf die SPS zu

übertragen, wird der Siemens MPI-Adapter verwendet,

der per USB an den Rechner und per Profi-DP an die

SPS angeschlossen wird.

Um mögliche Fehler abzufangen, die beim Lösen der Praktikumsaufgaben gemacht werden

können, ist in der SPS eine Sicherungssteuerung implementiert. Sollte ein Fehler auftreten,

werden die auslösenden Aktoren abgeschaltet und es leuchtet für 5 Sekunden die rote

Fehler-LED, die sich zwischen SPS und Netzteil befindet. Im Leitsystem der Mischanlage

blinkt zusätzlich eine rote Fehleranzeige rechts oben.

Abbildung 16: Siemens MPI-Adapter


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3. Vorbereitung

Zu Beginn des Praktikums findet ein Testat statt, dessen Ergebnis zu einem Viertel mit in die

Endnote einfließt. Dazu sollten Sie die Praktikumsanleitung gründlich gelesen haben und

den entsprechenden Stoff aus dem Vorlesungsskript von Automatisierungstechnik 1 noch

einmal aufarbeiten.

.

3.1 Aufgabe zur Vorbereitung

Entwerfen Sie ein Petrinetz, das folgende Steuerungsaufgabe realisiert:

Füllen von Tank 1 bis zum MAX-Füllstandssensor. Danach umfüllen einer bestimmten

Wassermenge in Tank 3, die daraufhin abgelassen wird. Fehler, die möglicherweise

auftreten können, sind durch die Steuerung abzufangen, wie z.B. das Überlaufen von

Tank 3.

Das entworfene Petrinetz wird im SIPN-Editor erstellt und dann mit OpenPCS simuliert, um

es auf korrektes Verhalten zu überprüfen.

Bringen Sie das abgespeicherte Petrinetz auf einem USB-Stick mit zum Praktikum, oder

lassen Sie es dem Praktikumsbetreuer vorher per Mail zukommen, da es die Grundlage für

die Versuchsdurchführung bildet.

Vor dem Praktikumsbeginn muss das korrekte Verhalten des Petrinetzes dem Betreuer

demonstriert werden.

4. Durchführung

Um sich mit dem Versuchsaufbau vertraut zu machen, starten Sie die Verknüpfung

„Mischanlage Leitsystem“ auf dem Desktop. Daraufhin startet eine Bedienoberfläche.

Auf dieser lassen sich alle wichtigen Daten ablesen. Durch einen Klick auf die Buttons lassen

sich die verschiedenen Aktoren aktivieren bzw. deaktivieren.


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Nachdem Sie die Anlage ausgetestet haben, beginnen Sie mit den Aufgaben.

Hinweise zur Bearbeitung der Aufgaben:

In allen Aufgaben sind mögliche auftretende Fehlerzustände zu berücksichtigen.

Im Organisationsbaustein OB1 sind nur das Netzwerk 1 und 2 zu verändern,

Netzwerk 3 darf nicht verändert werden. Darin befindet sich die Sicherungs-

steuerung.

Gehen Sie in den Aufgaben eins bis sechs immer erst vom Petrinetz als

Modellierungsgrundlage aus. Vor dem Implementieren im SIMATIC Manager ist das

erstellte Netz erst zu simulieren und zu überprüfen. Speichern Sie für jede Aufgabe

ein separates Petrinetz ab und verwenden Sie einen neuen Funktionsblock.

Wählen Sie die zu mischenden Wassermengen sinnvoll, da der Abfluss über Ventil

V106 aufgrund des kleineren Querschnittes sehr gering ist. Beim Testen kann zum

schnelleren Abfließen das Handventil neben V106 verwendet werden.

Zeiten sind in folgendem Format anzugeben: S5T#3s (Zeit ist hier 3 Sekunden).

Abbildung 17: Leitsystem der Mischanlage


17

4.1 Aufgaben

Aufgabe 1

Implementieren Sie das vorbereitete Petrinetz im SIMATIC Manager in Ablaufsprache.

Legen Sie dazu einen Funktionsblock mit dem Namen FB1 an.

Um den erstellten Funktionsblock auszuführen, fügen Sie ihn im Organisationsbaustein OB1

im Netzwerk 1 ein. Prüfen Sie, ob die Steuerung korrekt funktioniert, entweder über das

Leitsystem oder mit der „Beobachten“-Funktion im SIMATIC Manager.

Aufgabe 2

Da die unter Aufgabe 1 implementierte Steuerung noch keine Flüssigkeiten mischt, wird

diese hier um das Befüllen von Tank 2, als parallel ablaufender Prozess zum Befüllen von

Tank 1, erweitert. Sind beide Tanks gefüllt, erfolgt der Mischvorgang in Tank 3 im Verhältnis

1:1. Die Pumpe P102 ist dazu noch nicht zu verwenden.

Die erweiterte Steuerung ist als FB2 zu speichern und im OB1 auszuführen.

Aufgabe 3

Als Teil eines größeren verfahrenstechnischen Prozesses sollen zwei Chemikalien gemischt

werden. Um die Reaktion der Chemikalien zu beschleunigen, soll die Chemikalie aus Tank 2

vor dem Mischvorgang auf 35°C erhitzt werden.

Erweitern Sie die Steuerung aus Aufgabe 2 um einen Heizvorgang als dritten parallelen

Prozess.

Die Heizung E104 ist erst einzuschalten, wenn sie mit Wasser bedeckt ist und sofort

auszuschalten, wenn der Wasserstand zu weit abfällt.

Speichern Sie die Steuerung als FB3 und führen Sie sie aus.

Aufgabe 4

Um den Mischvorgang zu beschleunigen ist nun Pumpe P102 zu verwenden.

Führen Sie die erweiterte Steuerung mit Hilfe von OB1 aus, nachdem sie unter FB4

abgespeichert wurde.


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Aufgabe 5

In dieser Aufgabe werden die Chemikalien zur besseren Reaktion separat anstatt gleichzeitig

in Tank 3 geleitet. Erweitern Sie die Steuerung entsprechend und mischen Sie die

Chemikalien im Verhältnis 3:1.

Das neue Steuerungsprogramm ist unter FB5 abzuspeichern und danach im OB1

auszuführen.

Aufgabe 6

Da das Mischverhältnis mit dem Ultraschallsensor nicht genau genug umgesetzt werden

kann, ist die Messung der Flüssigkeitsmenge mit dem Durchflusssensor zu realisieren. Dabei

ist von einem während des Umfüllvorgangs konstantem Durchfluss auszugehen.

Speichern Sie das erstellte Programm unter FB6 und führen Sie es aus.

Aufgabe 7

Um im Notfall die Anlage schnell abschalten und entleeren zu können, ist ein NOT-AUS-

Schalter rechts neben Tank 2 angebracht. Dieser ist von Ihnen mit einer entsprechenden

Funktionalität zu versehen.

Programmieren sie eine Funktion (FC) also Funktions- (FUP) oder Kopplungsplan, die bei

betätigtem NOT-AUS-Schalter die Anlage abschaltet und komplett entleert. Wenn der

Schalter nicht betätigt ist, dürfen keine Funktionsabläufe gestört oder blockiert werden.

Die Funktion ist im OB1 im Netzwerk 2 einzufügen.

Aufgabe 8

Das Rohrleitungssystem ist auf Dichtheit zu prüfen. Dazu werden die Rohrleitungen einem

Druck von 90-100 Millibar ausgesetzt. Entwerfen Sie eine Funktion in AWL, die diese

Aufgabe realisiert.

Die Funktion wird zum Testen im OB1 im Netzwerk 1 anstelle der Steuerung zum Mischen

eingefügt.

Beachten Sie, dass ein ständiges Ein- und Ausschalten der verwendeten Pumpe vermieden

wird.


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5. Anhang

5.1 Flussdiagramm des Versuchsaufbaus


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5.2 Symboltabelle

Symbol Adresse Datentyp Kommentar

B101 PEW 272 INT Füllstand

B102 PEW 288 INT Durchfluss

B102dig E 9.0 BOOL Durchflusssensor

B103 PEW 274 INT Druck

B104 PEW 290 INT Temperatur Tank 2

B105 PEW 304 INT Temperatur Tank 3

B113 E 9.3 BOOL Grenztaster max. Füllstand Tank 2

B114 E 9.4 BOOL Grenztaster max. Füllstand Tank 3

E104 A 8.1 BOOL Heizung in Tank 2

LED A 7.7 BOOL Fehler-LED

NOT_AUS E 10.4 BOOL Not-Aus-Schalter

P101 A 8.3 BOOL Pumpe 1 digital ein-/ausschalten

P101_dreh PAW 322 INT Drehzahl Pumpe 1



PumpPreset A 8.2 BOOL Vorwahl Pumpenansteuerung: 0=digital / 1=analog

S111 E 9.1 BOOL Schwimmerschalter Überlauf Tank 2

S112 E 9.2 BOOL Schwimmerschalter min. Füllstand Tank 1

S113 E 10.0 BOOL Schwimmerschalter min. Füllstand Tank 2

S114 E 10.2 BOOL Schwimmerschalter Überlauf Tank 3

V101 A 7.0 BOOL Ventil 1 auf/zu





V106 PAW 320 INT Hub von Proportionalventil 6

V106_On A 8.4 BOOL Proportionalventil einschalten



Variablen: DB 10 DB 10 Datenbaustein für Variablen:

FUELL REAL Füllstand in Tank 3

DUFLU REAL Durchfluss in L/Min

DRUCK REAL Druck in mBAR

TEMP1 REAL Temperatur in Tank 2 in °C

TEMP2 REAL Temperatur in Tank 3 in °C

EIN BOOL TRUE

AUS BOOL FALSE

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