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Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Automatisierungstechnik, Professur Prozessleittechnik
DIN EN 61131 DIN EN 61131 Ein abstraktes, vereinheitlichendes M d ll i i h iModell einer speicherprogrammier-baren Steuerung (SPS)
VL Prozessleittechnik I (SS 2011)Professur für Prozessleittechnik
Übersicht
• Einführende Beispiele der AnlagensicherungS i h i b St• Speicherprogrammierbare Steuerungen
• DIN EN/IEC 61131 Modell– Architekturmodell– Programmorganisationseinheit– Variablenzugriffe
• DIN EN/IEC 61131 Fachsprachen (nächster Termin)– Textorientierte Fachsprachenp– Grafische Fachsprachen
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Einführende Beispiele der AnlagensicherungAnlagensicherung
T b di ht• Turboverdichter• Industrieofen• Sicherungseinrichtungen
Bsp. 1: Turboverdichter(Strohrmann 2004 S 13)(Strohrmann 2004, S.13)
•Einschalten HilfsölpumpeÖ– Öldruck zu tief (PS-Z-- 3)
•Einschalten verriegeln– Öl zu kalt (TZ- 2)Öl zu kalt (TZ 2)– Umgangsventil geschlossen (GZ- 1)
•Abschaltung– Enddruck zu hoch (PZ+ 1)– Saugdruck zu tief (PZ- 1)– Öldruck zu tief (PS-Z-- 3)Ö d u u ( 3)– Füllstand zu tief (LZ+ 1)– Durchfluss zu tief (FZ- 1)
TV heiß (TA+Z++ 1)12.04.2011 PLT-1 (c) 2008-2011, UR Folie 4
– TV zu heiß (TA+Z++ 1)
Bsp. 2: Industrieofen(Strohrmann 2004 S 14)(Strohrmann 2004, S.14)
Brennerabschaltung bei:•Betriebstemperatur unter 650°C•Betriebstemperatur unter 650°C
–TZ-1 (Keine sichere Zündung nachkurzzeitigem Ausfall vor der Bildung eines
l i G i h )explosiven Gemisches)
•Gas- und Luftmangel–PZ-1–PZ-2
•Flammenwächter–XZ-1
•Rückzündungsgefahr–QZ+1
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Sicherheitsgerichtete Funktionen der Sicherheitsgerichtete Funktionen der Leittechnik
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Elemente von SicherungseinrichtungenElemente von Sicherungseinrichtungen(Strohrmann 2004, S.16)
Aufnehmer Messsignalkanal Messumformer Aufnehmer, Messsignalkanal, Messumformer, Grenzsignalgeber, Signalverarbeitung, Meldekanal mit Meldern, Auslösekanal mit Auslösern
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Verbindungsprogrammierte Steuerung
•Verdrahtung vonRelais–Relais
–Schütze K1 K1S1 S4
•Vorteil–Parallele Verarbeitung
aller Signale
S2
S3g
•Nachteil:–Verdrahtung = Programm
Fü Ä d d L ik
K1
S3
H1
–Für Änderung der Logik ist Änderung der Verdrahtung notwendig!
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Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)(SPS)
• RechentechnischeVerknüpfung der Signale
Rechner mit Ein- und Ausgängen
Verknüpfung der Signale
• Vorteil
S3S2S4S1
–Änderung der Logikbedarf lediglich derNeuprogrammierung des
Automatisierungseinheit
p g gSteuerprogramms
• NachteilN i ll l
H1
–Nur quasiparalleleAbarbeitung möglich(1-Kern-CPU = SISD)
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Programmbeispiel: 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 t A A 8 5 f 0• SONST setze Ausgang A 8.5 auf 0
Umsetzung in AWL Programmiersprache (IEC 61131):Umsetzung in AWL Programmiersprache (IEC 61131):
LD %IX5.2 ; Lade Bitwert von Eingang 5.2AND %IX4 7 UND V k it Ei 4 7AND %IX4.7 ; UND-Verkn. mit Eingang 4.7ST %QX8.5 ; Ergebnis nach Ausgang 8.5
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Definition SPS DIN EN 61131 Teil 1
• „[…] Ein digital arbeitendes elektronisches System für den Einsatz in industriellen Umgebungen mit einem den Einsatz in industriellen Umgebungen mit einem programmierbaren Speicher zur internen Speicherung der anwenderorientierten Steuerungsanweisungen zur I l ti ifi h F kti i B 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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Informations-&Kommunikationstechnik rund um die SPSrund um die SPS
FeldbusseVisualisierungProzeßrechner
SPSSPS
Akt SAktoren Sensoren
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Aktoren Sensoren
Speicherprogrammierbare SteuerungenSteuerungen
B f hl t hit kt• Befehlssatzarchitektur• Funktionsweise• Zykluszeiten
Zyklische Funktionsweise (SPS-Modus)
Initialisierung ProzessabbildAusgängeAusgänge
Einlesen der Eingänge ProzessabbildEingängeEingänge
Abarbeiten von Operationen der Programmbausteine
Typische Bearbeitungszeiten:Typische Bearbeitungszeiten:1µs Bitoperationen2µs Wortoperationen
12µs Zeit/Zähloperationen3µs Festpunktaddition
50µs Gleitpunktaddition
Schreiben der AusgängeProzessabbild
AusgängeAusgänge
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Prozessabbild
• Speicherbereich zur Aufnahme der Signalwerte der Ein- und AusgängeEin- und Ausgänge
– Eingabewerte werden zu Beginn eingelesen, zwischenzeitliche Änderungen während Programmzyklus ignoriert!ignoriert!
– Ausgabewerte werden zwischengespeichert, d.h. Änderungen während der Programmabarbeitung sind
h ß i ht i htb !nach außen nicht sichtbar!
• Manche SPSen erlauben direkten Zugriff auf die Prozesssignale
– Üblicherweise langsamer als direkter Zugriff auf PA– In IEC 61131 nicht standardisiert
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Modularer Aufbau einer SPS
S
CPU-Baugruppe
Stromversorgung
Programmier-gerät
Eingangsbaugruppen
Ausgangsbaugruppen
g
g g g pp
Kommunikationsbaugruppen
Funktionsbaugruppen
Bedieneinheit
Funktionsbaugruppen
optional
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Stromversorgung
• Bereitstellung der Betriebsspannung p g
– 5 / 10 / 24V
• Ggf. zusätzliche Wandler für Leistungsbaugruppenfür Leistungsbaugruppen
• Batterie zur Speicherpufferung
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CPU-Baugruppe
• Prozessor• Speicher• Speicher• Schlüsselschalter• EPROM mit Programm (optional)(optional) • Speicherkarte • Programmierschnittstelle (optional)
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Eingabebaugruppen
• Digitaleingabebaugruppen–DC 24 V, AC 120/230 V, f<50 HzC , C 0/ 30 , 50–Potentialtrennung mit Optokopplern–EntstörmaßnahmenL k l A i it L htdi d–Lokale Anzeige mit Leuchtdioden
• Analogeingabebaugruppen–Spannung (+- 10V)Strom (4 bis 20 mA)–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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parametrierbar
Ausgabebaugruppen
• Digitalausgabebaugruppe–Lastspannung DC24V –Lastspannung DC24V, AC120/230V–Spezifizierte Strombelastbarkeit–Potenzialtrennung–Lokale Anzeigen–f < 100 Hz f 100 Hz
• Analogausgabebaugruppen–Spannung (+- 10 V)–Strom (0 bis 20 mA)–Strom (0 bis 20 mA)–Auflösung 12-15 bit–Alarmierung bei Fehlern
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Kommunikationsbaugruppen
• Feldbusse (ASI, Profibus ...)• Industrial Ethernet • Industrial Ethernet • Programmierschnittstellen• Serielle Schnittstellen
–RS232, RS422, RS485–z.B. für Waagen
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Funktionsbaugruppen
• Positionierbaugruppen• Reglerbaugruppen• Reglerbaugruppen• Nockensteuerwerke• Zählerbaugruppen• Uhrenbaugruppen• Bildauswertungsmodul• usw.usw.
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Bedieneinheiten
• Operator Panels• Touch Screens• Touch Screens• Text Displays• Tastaturen
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Programmiergeräte
• Handprogrammiergeräte:–kleinere Projekte z B –kleinere Projekte, z.B. Fehlersuche, Kontrolle und Anpassung vor Ort–überwiegend textbasierte gProgrammierung
• Bildschirmprogrammiergeräte–große Funktionalitätg–gute Debugging-Möglichkeiten–übersichtliche Darstellungg–grafische Programmierung–Simulation
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Gibt es die SPS?
• Mehr als 100 verschiedene HerstellerV hi d G dt• Verschiedene Grundtypen
– Modulare SPS: Wie vorgestellt, Bausteinkonzept– Kompakt SPS: alle Funktionen in einem Blockp– Slot SPS: SPS als Steckkarte eines Industrie PCs– Soft SPS: SPS als Software auf einem Industrie
PC Ankopplung an Prozess über IO-KartenPC, 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.ferrocontrol.dewww.beck ipc.com
www.festo.de
www.ferrocontrol.de
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Herstellerübersicht 3
www.schneiderelectric.com www.phoenix-contact.de
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Kompatibilitätsprobleme
• Viele (>100) Hersteller von SPS, mit proprietären Standards die Vor- und Nachteile bietenStandards, 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 möglichuntereinander 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 festweltweite einheitliche Basis der SPS-Technik fest.
– Begriffsbestimmungen und Funktionsmerkmale– Elektrische, mechanische und funktionelle
f dAnforderungen– Fünf Programmiersprachen– Anwenderrichtlinien für alle Projektphasenj p– Kommunikation von SPSen unterschiedlicher Hersteller
• Die Implementierung der Norm ist bei den Herstellern noch nicht abgeschlossen !noch nicht abgeschlossen !
• PLCOpen – Gesellschaft zur Förderung herstellübergreifender PLC-Programmierung
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Ein wenig Geschichte…(John & Tiegelkamp 2001)(John & Tiegelkamp 2001)
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61131-3 Softwaremodell
• Konfiguration: SPS System enthält ggf mehrere Ressourcen ( SPS)– SPS-System, enthält ggf. mehrere Ressourcen (~SPS)
• Ressource: – Signalverarbeitungsfkt incl. Sensor/Aktorschnittstellen g g
(~CPU+IO-Bus)– Enthält ggf. mehrere Programme
• Programm • Programm – wird unter Steuerung von Tasks ausgeführt– Kann mehrere Funktionsbausteine oder andere
S h l t th lt Sprachelemente enthalten
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61131-3 Softwaremodell: Starten/Stoppen von Konfiguration und/oder Ressourcenvon Konfiguration und/oder Ressourcen
• Starten einer KonfigurationSchritt 1: Initialisierung der globalen Variablen– 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• Stoppen einer Ressource– Sperren aller Tasks
• Stoppen einer Konfigurationpp g– Stoppen aller Ressourcen
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Anfangswerte der Variablen beim Starten eines Konfigurationselementseines Konfigurationselements
• Verschiedene Anfangswerte möglich:gepufferter Wert (als das KE gestoppt wurde RETAIN)– gepufferter Wert (als das KE gestoppt wurde - RETAIN),
– anwender-spezifizierten Anfangswert,– voreingestellter typ-spezifischer Anfangswert
• Regeln zur Ermittlung des Anfangswertes– Warmstart: gepufferte Var. nehmen gepufferte Werte an
Kaltstart: gepufferte Var nehmen anw spez Wert ein – Kaltstart: gepufferte Var. nehmen anw-spez Wert ein, wenn nicht definiert typ-spez Wert
– Nichtgepufferte Var. nehmen anwenderspez. Wert ein, wenn nicht definiert typspez Wertwenn nicht definiert typspez. Wert
– Eingangsvariablen werden implementierungsabhängig initialisiert
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Wiederanlauf nach Spannungsausfall oder StörungStörung
• Kaltstart: Alle dynamischen Daten (Variablen, Register Zähler Zeitglieder Prozessabbild) werden Register, Zähler, Zeitglieder, Prozessabbild) werden auf definierten Zustand zurückgesetzt
– Automatisch oder manuell
• Warmstart: Wiederanlauf von einem vorbestimmten Zustand des Anwendungsprogramms und vorbestimmer Menge an Rest-Dateng
– Status-Merker zur programmtechnischen Berücksichtigung
• Heißstart: Alle dynamischen Daten sind unverändert• 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 Zuordnung der Peripherie – Globalen und lokale Variablen – Kann FB und FC aufrufen
F nktionsba stein (FB) Ba stein • Funktionsbaustein (FB): Baustein – Eingangs- und Ausgangsvariablen– statische Variablen (= Gedächtnis)– Kann FB und FC aufrufen
• Funktion (FC): Unterprogramm – Eingangs- und Ausgangsvariablen g g g g– Darf keine internen Zustandgrößen besitzen– Kann weitere FC aufrufen
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Übersicht
• Einführende Beispiele der AnlagensicherungS i h i b St• Speicherprogrammierbare Steuerungen
• DIN EN/IEC 61131 Modell– Architekturmodell– Programmorganisationseinheit– Variablenzugriffe
• DIN EN/IEC 61131 Fachsprachen (nächster Termin)– Textorientierte Fachsprachenp– Grafische Fachsprachen
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