Vorlesung Prozessautomatisierung Ablaufsprache für chargenbasierte Prozesse Linearisierung – analytische und graphische Methoden 13. November 2002 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Fachbereich Elektrotechnik Goebenstr. 40 66117 Saarbrücken Version 1.0 vom 15. August 2002 November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.1

Themen Vorlesung RAT (1) Grundlagen & Begriffe Zusammenfassung von Grundlagen und Voraussetzungen der Automatisierungstechnik / Signale / Hilfsenergie / Systembeschreibung / Linearisierung analytisch und in Kennlinien- feldern / Modellbildung / Allgemeine Automatisierungsthemen (Schutzarten, Explosions- schutz, EMV) / Systemarchitektur von Automatisierungssystemen Technische Systeme für Transportvorgänge von Stoffen Übertragungsverhalten von Transport-/Förderbändern für feste Stoffe / Übertragungs- verhalten von Transportsysteme für flüssige Stoffe / Übertragungsverhalten von Be- hältern und Mischsystemen / Beschreibung des Zeitverhaltens von Befüllungs- und Ent- Leerungsvorgängen / Stellgerätetechnik und deren Beschreibungen (Ventile) Signalaufbereichtung (Messumformer, Sensoren) Übersicht von Prozessgrößen und deren Messung / Temperatursensorik und Realisierung entsprechender Messaufgaben November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.2

Themen Vorlesung RAT (2) Hilfsmittel / Fliessbilder / R&I-Schemen Darstellung von verfahrenstechnischen Abläufen / Symbole und Kennzeichen / Program- mierungshilfsmittel / Darstellung von Funktionsplänen / Ablaufsteuerung / Automatisierungskonzeption Industrielle Kommunikation (Feldbussysteme) / Systemarchitektur von Automatisierungs- systemen / Organisation von PLT-Projekten / Normen, Vorschriften, Richtlinien / Char- genprozesse / Stellgeräte / Regler / Steuerungen Neue Methoden in der Automatisierungstechnik Fuzzy-Konzept / Fuzzy-Regelung / Einsatz von Neuronalen Netzen in der Automatisie- rungstechnik / Anwendungsbeispiele und technische Realisierungen Automatisierung mit Matlab/SIMULINK Einführung in die Entwicklungsumgebung /Anwendungen / Regelkreisauslegung / Lösen von Differentialgleichungen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.3

Thema heute Grundlagen für die Prozessautomatisierung : „Ablaufsteuerung, Chargenprozessbeschreibung, Beschreibungsform, Beispiele und Anwendungen sowie Linearisierung von Kennlinien und nicht linearen Abhängigkeiten“ Grundlagen Grundbegriffe Mathematische Grundlagen Anwendungen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.4

Technische Prozesse / Unterschiede November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.5

Prozessablaufbeschreibungen Steuerungstechnik bietet viele Programmiersprachen für die Reali- sierung von SPS-Softwareprogrammen: Verknüpfungssteuerungen Logische Verknüpfung stehen im Vordergrund. Die Grundsprachen sind KOP, FUP und AWL. Es werden in Form von logischen Funktionen Ver- knüpfungen abgebildet. Ablaufsteuerung Sequentielle Steuerungsabläufe. Zeitpunkt und Reihenfolge einzelner Prozesse sind entscheidend. Das Starten und Reihenfolge einzelner Prozessschritte umfasst logische Verknüpfungen, die wiederum mit den Grundsprachen (KOP, FUP, AWL) abgebildet werden. November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.6

Steuerungsarten / Definitionen Verknüpfungssteuerung: Eine Verknüpfungssteuerung ist eine Steuerung, die den Signalzuständen der Eingangssignale bestimmte Signalzustände der Ausgangssignale im Sinne boolscher Verknüpfungen zuordnet (DIN 19237). Wenn Motortemperatur > 70°C und Motor läuft dann Lüfter einschalten. Verknüpfungen entsprechen logischen Aussagen, die mit Hilfe der Grundelemente (UND, ODER, NICHT) kombiniert (verknüpft) werden. November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.7

Steuerungsarten / Definitionen Ablaufsteuerung: Eine Ablaufsteuerung ist eine Steuerung mit zwangsläufig schrittwei- sen Ablauf, bei der das Weiterschalten von einem Schritt auf den programmgemäß folgenden Schritt abhängig von Weiterschaltungbe- dingungen erfolgt (DIN 19238). Beispiel: Schritt Behälter füllen Bedingung: Behälter voll? 2. Schritt Flüssigkeit rühren und erhitzen Bedingung: 2 h bei 70°C gerührt? November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.8

Programmiersprachen von STEP 7 (SIEMENS) Optionssoftware CFC Continous Function Chart S7-SCL Structured Control Language S7-Graph Ablaufsteuerung S7-HiGraph Zu- standssteuerung AWL Anweisungsliste KOP Kontaktplan FUP Funktionsplan STEP 7 Basis Plattform mit SIMATIC Manager November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.9

Kurzinfos zu einzelnen Steuerungssprachen KOP (Kontaktplan): Programmierung erfolgt in Anlehnung an Stromlaufplan (Schließer, Öffner). Verknüpfung der binären Signalzustände wird durch parallele oder serielle Kontakte dargestellt. Eine Spule schließt den Pfad ab. FUP (Funktionsplan): Programmierung erfolgt in Anlehnung an elektronische Schaltkreis- symbole (Digitaltechnik). Binäre Verknüpfungen werden durch Ver- schalten von UND, ODER, NICHT Funktionen realisiert. AWL (Anweisungsliste): Programmierung erfolgt in Listenform. Eine Zeile entspricht einer Anweisung mit einer Operation, die die auszuführende Funktion vor- gibt. Quelle: Siemens November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.10

Was ist eine Ablaufsteuerung? Nicht im Vordergrund statische Zuordnung von Eingangs- und Aus- gangssignalen Im Vordergrund zeitliche Abfolge einzelner Prozessschritte Jeder Schritt enthält ein oder mehrere Aktionen (z.B. Motor EIN) Weiterschaltbedingungen in der Schrittkette (Transitionen) Prozessabhängige Weiterschaltbedingung Bedingungen müssen hierfür erfüllt sein z.B. Transportvorgang: Türe ist geöffnet und Stellplatz nicht belegt Zusammensetzung aus logischen Verknüpfungen Zeitabhängige Weiterschaltbedingung Bedingungen einer Zeitvorgabe (Zeitdauer) muss erfüllt sein z.B. Mischvorgang: Mischdauer von 2 min ist abgelaufen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.11

Zustandsbeschreibung von Stellgeräten Innerhalb von Regelungsaufgaben können Stellglieder wechselnde Zu- stände annehmen. Regelventile können kontinuierlich von auf <-> zu ver- fahren werden. Quelle: Epple, PLT Aachen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.12

Zustandsbeschreibung in Transitionsnetzwerken Komplexe Abläufe mit sequentiellen Charakter lassen sich gut in solchen Zustandsbeschreibungen modellieren (Objekt Modelling Technique) OMT setzt folgende Elemente ein: Zustand Werte (Definitionsbereich) Aktion Kurzzeitige Operationen / Änderungen / Prozesse, die zu Beginn, während und beim Verlassen des Zustandes ausgeführt werden. Aktivität Andauernde Operation oder sequentielle Abläufe. Beschreibung in Form von Gleichungen, Ablauflogiken. Transition Zustandsänderung, tritt ein, wenn alle Bedingungen erfüllt sind. November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.13

Beispiel für OMT Quelle: Epple, PLT Aachen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.14

Transition Ereignisgesteuerte Transition: Ablaufgesteuerte Transition: Vorzustand ist gesetzt Bestimmtes Ereignis ist ein- getreten Bestimmte Bedingungen sind erfüllt Allgemein Eine Transition wird ausgeführt, wenn der Vorzustand gesetzt ist und Transitionsbedingungen erfüllt sind. Bei Erfüllung der Transitionsbedigung wird der Vorzustand zurück- gesetzt (einschließlich Ausführung der exit-Aktionen) und der Folge- zustand wird gesetzt (einschließlich der entry-Aktionen) Ablaufgesteuerte Transition: Vorzustand ist gesetzt Vorzustand-Aktivität ist terminiert Bestimmte Bedingungen sind erfüllt November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.15

Notation von Transitionen Quelle: Epple, PLT Aachen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.16

Steuerlogik Motorventil Quelle: Epple, PLT Aachen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.17

Formale Beschreibung einer Ablaufsteuerung Notation in Form von Strichen und Kastensymbolen. Transitionen enthält die Bedingungen Box enthält Anweisungen, was ist Nach Freigabe in dem betreffenden Schritt zu tun Quelle: Epple, PLT Aachen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.18

Formale Beschreibung einer Ablaufsteuerung Bild 16, Epple, Bild 17 Epple Quelle: Epple, PLT Aachen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.19

Paralleler Ablauf Simultanverzweigung entspricht einer logischen UND Verknüpfung Die Zustände 2 und Zustände 3 Werden zeitgleich durchlaufen, Wenn die Transistionsbedingung 1 erfüllt ist. Quelle: Epple, PLT Aachen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.20

Alternativer Ablauf Alternativverzweigung entspricht einer logischen ODER Verknüpfung Die Zustände 2 oder Zustände 3 werden abhängig von den Transi- tionsbedingungen durchlaufen. Es wird immer nur eine der Teil- ketten bearbeitet. Abweichend von der logischen ODER-Verknüp- fung. Quelle: Epple, PLT Aachen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.21

Beispiel klassischer Ablauf-steuerung: Chargenprozess Rezeptfahrweise mit 2 Rezepten Quelle: Uhlig November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.22

Beispiel Ablaufsteuerung Ablaufdiagramm Teil 1 mit Starttransition November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.23

Beispiel Ablaufsteuerung Teil 2 Ablaufschema entspricht der verbalen Prozess- Beschreibung und dem Verfahrensfließbild November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.24

Beispiel 2: Dosierung von Flüssigkeiten November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.25

Rezeptbeschreibung November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.26

Ablaufsteuerung November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.27

Rezeptbeschreibung Ablaufsteuerung November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.28

Umsetzung auf SPS S7 Ablaufsteuerung mit S7: Start mit Initialisierungsschritt (mehrere Bedingungen sein) Abwechselnd werden Transitionen und Schritte durchlaufen (Ablauf- kette) Durchlauf von Verzweigungen / Simulaten Schritten Durchlauf bis Ende erreicht oder Rücksprung auf den Start der Schrittkette erfolgt. Schrittkette Funktionsbaustein und Datenbaustein FB steuert die Schrittkette, DB enthält die Daten Anlegen nacheinander von Schritten und Transitionen Jeder Schritt / jede Transition kann aus mehreren Verknüpfungen bestehen. Quelle: Siemens November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.29

Movies zur Programmierung mit Ablaufsteuerung GRAPH (1) Quelle: Siemens November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.30

Movies zur Programmierung mit Ablaufsteuerung GRAPH (2) Quelle: Siemens November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 4.31