mechanische Prozesse
mechanische Prozesse
mechanische Prozesse
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme (AIS)<br />
Fakultät für Maschinenwesen<br />
Technische Universität München<br />
Integration von diskreten<br />
Reglermodellen in einen Modellbasierten<br />
Steuerungsentwurf für thermo<strong>mechanische</strong><br />
<strong>Prozesse</strong><br />
Sommerkolloquium 2012 in Aachen<br />
28. Juni 2012<br />
1. Demonstratoren und Motivation<br />
2. Anforderungen an die modellbasierte Entwicklungsumgebung für thermo<strong>mechanische</strong><br />
<strong>Prozesse</strong><br />
3. Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell der<br />
UML<br />
4. Zusammenfassung und Ausblick<br />
© AIS<br />
M.Sc. Gülden Bayrak
SFB TRR 30 Demonstratoren<br />
Metallumformung<br />
• (vor)heizen<br />
• transportieren<br />
• umformen<br />
• kühlen<br />
Kunststoffpressen<br />
• (vor)heizen<br />
• transportieren<br />
• umformen<br />
• kühlen<br />
Strangpressen<br />
• (vor)heizen<br />
• transportieren<br />
• umformen<br />
• kühlen<br />
Reibdrücken<br />
• (vor)heizen<br />
• umformen<br />
SFB TRR 30 Demonstratoren: Sonderforschungsbereich SFB/TR TRR 30 - "Prozessintegrierte Herstellung funktional gradierter Strukturen auf der<br />
Grundlage thermo-mechanisch gekoppelter Phänomene"<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 2
Motivation<br />
• Optimierung der<br />
Produktqualität Strangpressen<br />
• Haltung der<br />
Produktqualität bei<br />
Serienproduktion<br />
• Flexibilisierung Metallumformung der erreichbaren<br />
Produktgeometrien undeigenschaften<br />
• (vor)heizen<br />
• transportieren<br />
• Gestaltung neuartiger<br />
• umformen<br />
Prozessvarianten<br />
• kühlen<br />
• Optimierung der<br />
Prozessschritte<br />
Temperaturregelung<br />
• (vor)heizen Distanzregelung<br />
• transportieren<br />
• umformen<br />
• kühlen<br />
Produkt<br />
A‘<br />
vorheizen<br />
Kunststoffpressen<br />
transportieren<br />
heizen<br />
umformen<br />
kühlen<br />
Produkt<br />
A1<br />
heizen<br />
Reibdrücken<br />
kühlen<br />
Produkt<br />
A2<br />
• (vor)heizen<br />
• umformen transportieren<br />
• umformen<br />
• kühlen<br />
heizen<br />
vorheizen<br />
• (vor)heizen<br />
• umformen<br />
kühlen<br />
Produkt<br />
A3<br />
umformen<br />
umformen<br />
…<br />
Produkte mit unterschiedlichen gradierten Eigenschaften<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 3
Anforderungen an die Programmierumgebung<br />
für thermo-<strong>mechanische</strong> <strong>Prozesse</strong><br />
Neues<br />
Experiment<br />
Datenanalyse<br />
Daten<br />
•Änderung der Reihenfolge der<br />
Prozessschritte<br />
•Hinzufügen neuer Prozessschritte<br />
•Änderung der Parameterwerte<br />
•Änderung/Hinzufügen von Reglern<br />
• …<br />
Laboranlage<br />
www.metform.de<br />
Anpassung<br />
des<br />
Programms<br />
Speicherprogrammierbare<br />
Steuerung (SPS)<br />
Bei jedem Experiment ist die Anpassung des<br />
Programms notwendig<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 4
Anforderungen an die Modellierungsumgebung<br />
für thermo-<strong>mechanische</strong> <strong>Prozesse</strong><br />
Modellebene<br />
Unified Modeling Language<br />
(UML)<br />
Software-Ingenieur<br />
Blockdiagramm<br />
Regelungstechniker<br />
Codeebene<br />
• IEC 61131-3<br />
• Continuous<br />
Function Chart<br />
(CFC)<br />
• C / C++<br />
Anpassung<br />
des<br />
Programms<br />
Speicherprogrammierbare<br />
Steuerung (SPS)<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 5
UML für Speicherprogrammierbare Steuerung<br />
Aktivitätsdiagramm<br />
Verhaltensbeschreibung für thermo-<strong>mechanische</strong> <strong>Prozesse</strong>.<br />
Aktivitäten beschreiben technische <strong>Prozesse</strong> (reale Dauer).<br />
Anforderung: Hohes Abstraktionsniveau und Codegenerierung<br />
Quelle: Witsch, D.; Schünemann, U.: UML zur technologieorientierten Spezifikation von Steuerungssoftware – Integration von Aktivitäts- und<br />
Zustandsdiagrammen in CoDeSys V3. In: Automatisierungstechnische Praxis (atp), Heft 6, Oldenbourg-Verlag, München, 2009, S. 50-56.<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 6
Gliederung<br />
1. Demonstratoren und Motivation<br />
2. Anforderungen an die modellbasierte Entwicklungsumgebung für<br />
thermo-<strong>mechanische</strong> <strong>Prozesse</strong><br />
3. Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell der<br />
UML<br />
4. Zusammenfassung und Ausblick<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 7
Anforderungen an die modelbasierte Entwicklungsumgebung für<br />
thermo-<strong>mechanische</strong> <strong>Prozesse</strong><br />
1. Ebene<br />
heizen transp. umformen kühlen<br />
Diskrete<br />
Prozessschritte<br />
2. Ebene Temperaturregler<br />
Distanzregler<br />
Kraft- /<br />
Reglermodelle<br />
3. Ebene Schaltung<br />
zwischen mehreren<br />
Reglermodellen<br />
Distanz<br />
Kraft<br />
Quelle: www.metform.de<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 8
Anforderungen an die modelbasierte Entwicklungsumgebung<br />
1. Ebene<br />
heizen transp. umformen kühlen<br />
Diskrete<br />
Prozessschritte<br />
2. Ebene<br />
Temperaturregler<br />
Kraft / Distanzregler<br />
Reglermodelle<br />
• Automatische Abbildung des regelungstechnischen Modells in die<br />
Zielsprache der SPS<br />
• Berücksichtigung von regelungs- und steuerungstechnischen Aspekten<br />
– Sicherstellung des Zeitverhaltens von einzelnen Regler-Bausteinen mit<br />
unterschiedlichen Zykluszeiten innerhalb eines Aktivitätsdiagramms<br />
– Überwachung des Ist-Verlaufs zur Laufzeit (Monitoring)<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 9
Automatische Abbildung des regelungstechnischen Modells in die<br />
Programmiersprache C / C++<br />
…<br />
Codeebene<br />
Modellebene<br />
…<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 10
Automatische Abbildung des regelungstechnischen Modells in die<br />
Programmiersprache Continuous Function Chart (CFC)<br />
© AIS<br />
Codeebene<br />
Modellebene<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 11
Automatische Abbildung des regelungstechnischen Modells (Simulink)<br />
in das IEC 61131-3 Steuerungsprogramm (CFC)<br />
Simulink Bibliothek<br />
• Simulink<br />
Standard<br />
• TwinCAT<br />
Bausteine<br />
• PCS7 Bausteine<br />
• PC WorX<br />
Bausteine<br />
Simulink/ Blockdiagramm<br />
MDL<br />
Transformation<br />
• von diskreten<br />
Reglermodellen<br />
• der Abtastzeit des<br />
Reglermodells<br />
• der Abarbeitungsreihenfolge<br />
der<br />
Blöcke<br />
EXP<br />
XML<br />
PLCopen (XML)<br />
TwinCAT (CoDeSys)<br />
PCS7<br />
PC WorX<br />
CFC<br />
CFC<br />
FBS<br />
Regelungstechnische<br />
Funktionsbausteine<br />
Regelungstechnische<br />
Funktionsbausteine<br />
Regelungstechnische<br />
Funktionsbausteine<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak<br />
12
2. Anforderungen an die modelbasierte Entwicklungsumgebung<br />
1. Ebene<br />
heizen transp. umformen kühlen<br />
Diskrete<br />
Prozessschritte<br />
2. Ebene<br />
Temperaturregler<br />
Kraft / Distanzregler<br />
Reglermodelle<br />
• Automatische Abbildung des regelungstechnischen Modells in die Zielsprache<br />
der SPS<br />
• Berücksichtigung von regelungs- und steuerungstechnischen Aspekten<br />
– Sicherstellung des Zeitverhaltens von einzelnen Regler-Bausteinen mit<br />
unterschiedlichen Zykluszeiten innerhalb eines Aktivitätsdiagramms<br />
– Überwachung des Ist-Verlaufs zur Laufzeit (Monitoring)<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak<br />
13
Gliederung<br />
1. Demonstratoren und Motivation<br />
2. Anforderungen an die modellbasierte Entwicklungsumgebung für thermo<strong>mechanische</strong><br />
<strong>Prozesse</strong><br />
3. Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell<br />
der UML<br />
4. Zusammenfassung und Ausblick<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 14
Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell<br />
der UML<br />
Direkte Integration in den<br />
Prozessschritt „Heizen“<br />
nicht möglich, da<br />
• Initialisierung der<br />
Sensor und-<br />
Aktorwerte<br />
• Parametrierung der<br />
Regler-Bausteine<br />
notwendig.<br />
?<br />
Initialisierung<br />
ar_fNumeratorArray[0] := 0;<br />
ar_fNumeratorArray[1] := 0.01;<br />
ar_DenominatorArray[0] := -<br />
0.9998;<br />
ar_DenominatorArray[1] := 1;<br />
(*...*)<br />
Werkstueck_drehen(START)<br />
Leistung:=70 (*kW*)<br />
(*...*)<br />
Funktionsbaustein (FB)<br />
Simulink<br />
CFC<br />
15<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 15
Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell<br />
der UML<br />
Initialisierung<br />
?<br />
Aufruf des Regler-<br />
Bausteins<br />
Anforderungen:<br />
• Starten<br />
• Zyklischer Aufruf<br />
• Stoppen<br />
• Monitoring zur<br />
Laufzeit<br />
Funktionsbaustein (FB)<br />
Simulink<br />
CFC<br />
16<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 16
Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell<br />
der UML<br />
Aufruf des Regler-<br />
Bausteins<br />
Regler1 in CFC<br />
Aktivitätsdiagramm<br />
Regler1<br />
Anforderungen:<br />
• Starten<br />
• Zyklischer Aufruf<br />
• Stoppen<br />
• Monitoring zur<br />
Laufzeit<br />
Regler2 in CFC<br />
Regler3 in CFC<br />
Task1 Task2 Task0<br />
Multiple<br />
Tasks<br />
Regler3<br />
Regler2<br />
• Verteilung der Regler-FB mit unterschiedlichen Zykluszeiten auf mehrere Tasks<br />
• Starten und Stoppen eines Regler-FB-Aufrufs mit Hilfe einer globalen Variable<br />
Task<br />
Zykluszeit: 10ms<br />
Wenn Initialisierung abgeschlossen<br />
Regleraufruf()<br />
TRUE<br />
globale Variable<br />
nothing()<br />
FALSE<br />
Wenn Sollwert erreicht<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 17
Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell<br />
der UML<br />
Aufruf des Regler-<br />
Bausteins<br />
Anforderungen:<br />
• Starten<br />
• Zyklischer Aufruf<br />
• Stoppen<br />
• Monitoring zur<br />
Laufzeit<br />
Ist-Wert y(t)<br />
TSmax<br />
Soll-Wert r<br />
Definierte Schranke ɛ<br />
• Toleranzbereich bestimmt die<br />
Qualität des Werkstücks<br />
2ɛ<br />
Technische Systemgrenzen<br />
TSmin und TSmax<br />
• (TSmax – Soll-Wert) ist<br />
hier gleich die maximale<br />
Überschwingweite<br />
Ausregelzeit ts<br />
kennzeichnet den Zeitpunkt,<br />
ab dem der Absolutbetrag<br />
des Reglerfehlers e = r-y<br />
kleiner als ɛ ist: |y(t)-r| < ɛ<br />
für t>ts.<br />
TSmin<br />
ts<br />
definierte<br />
maximale<br />
Ausregelzeit tmax<br />
t<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 18
Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell<br />
der UML<br />
Aufruf des Regler-<br />
Bausteins<br />
Anforderungen:<br />
• Starten<br />
• Zyklischer Aufruf<br />
• Stoppen<br />
• Monitoring zur<br />
Laufzeit<br />
Ist-Wert y(t)<br />
TSmax<br />
Soll-Wert r<br />
Überschwingweite_vorher > Überschwingweite_Ist<br />
2ɛ<br />
Reglerfehler < ɛ<br />
Endbedingung erfüllt!<br />
„Funktionsaufruf stoppen“<br />
(Globale Variable:= FALSE;)<br />
ts<br />
definierte<br />
maximale<br />
Ausregelzeit tmax<br />
t<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 19
Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell<br />
der UML<br />
Initialisierung<br />
Aufruf des Regler-<br />
Bausteins<br />
Exit (Default-Anweisungen)<br />
? Werkstueck_drehen(STOP);<br />
Leistung:=0;<br />
Funktionsbaustein (FB)<br />
Simulink<br />
CFC<br />
20<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 20
Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell<br />
der UML<br />
Initialisierung<br />
Zustandsdiagramm<br />
Aufruf des Regler-<br />
Bausteins<br />
Exit (Default-Anweisungen)<br />
Funktionsbaustein (FB)<br />
Simulink<br />
CFC<br />
21<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 21
Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell<br />
der UML<br />
Zustandsdiagramm<br />
Funktionsbaustein (FB)<br />
Simulink<br />
CFC<br />
22<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 22
Gliederung<br />
1. Demonstratoren und Motivation<br />
2. Anforderungen an die modellbasierte Entwicklungsumgebung für thermo<strong>mechanische</strong><br />
<strong>Prozesse</strong><br />
3. Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell der<br />
UML<br />
4. Zusammenfassung und Ausblick<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 23
Zusammenfassung und Ausblick<br />
Zusammenfassung<br />
• Anforderungen an die modellbasierte Entwicklungsumgebung für thermo<strong>mechanische</strong><br />
<strong>Prozesse</strong>:<br />
– die Hierarchie thermo-<strong>mechanische</strong>r <strong>Prozesse</strong> besteht aus den Ebenen<br />
1. diskrete Prozessschritte<br />
2. (optional) Reglerimplementierung pro Prozessschritt<br />
3. (optional) Wechsel zwischen mehreren Reglern innerhalb eines Prozessschritts<br />
• Integration regelungstechnischer Modelle in das Steuerungsmodell der<br />
UML<br />
– Automatische Abbildung des regelungstechnischen Modells in die Zielsprache der<br />
SPS unter Berücksichtigung von regelungs- und steuerungstechnischen Aspekten<br />
Ausblick:<br />
• Initialisierung, Aufruf des Regler-Bausteins (Start, Stop, Zyklischer Aufruf), Exit-<br />
Anweisungen, Ist-Wert Überwachung zur Laufzeit<br />
• Realisierung und Integration von Reglerumschaltungen<br />
• Evaluation des Ansatzes an Laboranlagen (auch an anderen Anwendungsfällen)<br />
• Einschränkung der Flexibilität durch Modellierung von sicherheitstechnischen<br />
Bedingungen zur Gewährleistung der Maschinensicherheit<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 24
Einschränkung der Flexibilität durch Modellierung von sicherheitstechnischen<br />
Bedingungen zur Gewährleistung der Maschinensicherheit<br />
Thermo-<strong>mechanische</strong> <strong>Prozesse</strong><br />
umformen<br />
heizen<br />
kühlen<br />
heizen<br />
transportieren<br />
umformen<br />
& kühlen<br />
transportieren<br />
umformen<br />
S_Hebel_schließen<br />
umformen<br />
kühlen<br />
S_Hebel_öffnen<br />
Modellierung/<br />
Programmierung<br />
Betrieb (zur<br />
Laufzeit)<br />
Bereitstellung einer Bibliothek mit definierten<br />
Prozessschritten und sicherheitstechnischen<br />
Bedingungen<br />
© AIS<br />
28.06.2012<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 25
Veröffentlichungen<br />
• Bayrak, G.; Renzhin, D.; Vogel-Heuser, B.: Integration of control loops in an UML based engineering<br />
environment for PLC. In: Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), Toulouse, 2011.<br />
• Bayrak, G.; Vogel-Heuser, B.: Model-Based Development Concept for Hybrid Systems to Support<br />
Process Engineers in Thermo-Mechanical Process Development. In: 10 th IFAC Workshop on<br />
Programmable Devices and Embedded Systems (PDeS), Pszczyna, 2010, S. 179-184.<br />
• Flach, A.; Bayrak, G.; Vogel-Heuser, B.; Weidig, U.: Verbesserung der Flanschherstellung durch<br />
Prozessführung der Erwärmung unter Berücksichtigung gradierter Produkteigenschaften. In:<br />
Automatisierungstechnik (atp), digitale Ausgabe, Oldenbourg-Verlag, München, 2009, S. 33-48.<br />
• Vogel-Heuser, B.; Flach, A.; Bayrak, G.: New Methods of Process Management in the Development of<br />
Technological Treatments. In: Steinhoff, K; Maier, H.J.; Biermann D. (eds.): Functional Graded Materials<br />
in Industrial Mass Production. Rep. of Collaborative Research Centre TRR30, Verlag Wissenschaftliche<br />
Scripten, Auerbach, 2009, S. 145-153.<br />
• Bayrak, G.; Wannagat, A.; Vogel-Heuser, B.: Echtzeit- und Regelungstechnische Aspekte bei der<br />
automatischen Transformation zwischen Matlab/Simulink und SPS-basierten Steuerungen. In:<br />
Holleczek, P.; Vogel-Heuser, B. (Hrsg.): Mobilität und Echtzeit, Informatik aktuell, Springer 2007, S. 42-<br />
48.<br />
© AIS<br />
M.Sc. Gülden Bayrak 26
Change language