Prozedursteuerung, Ablaufsteuerung - Fakultät Elektrotechnik und ...
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<strong>Elektrotechnik</strong> <strong>und</strong> Informationstechnik Institut für Automatisierungstechnik, Professur Prozessleittechnik<br />
<strong>Prozedursteuerung</strong><br />
Steuerung von Abläufen<br />
VL Prozessleittechnik 1 (SS 2012)<br />
Professur für Prozessleittechnik
Übersicht<br />
• Steuerung von sequenziellen <strong>und</strong> parallelen Abläufen<br />
• Ablauf von Schrittketten<br />
• Interaktion von Ablauf- <strong>und</strong> Verknüpfungssteuerungen<br />
• Schutzfunktionen <strong>und</strong> Betriebsarten in<br />
<strong>Ablaufsteuerung</strong>en<br />
• Entwurf von <strong>Ablaufsteuerung</strong>en<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012<br />
Folie 2
Verwendung von <strong>Ablaufsteuerung</strong>en<br />
• Verknüpfungssteuerungen<br />
� Realisieren eine begrenzte, klar definierte Funktion<br />
(gerätespezifisch)<br />
� Verarbeiten kontinuierliche Eingangssignale <strong>und</strong> generieren<br />
entsprechende Ausgangssignale<br />
• <strong>Ablaufsteuerung</strong>en<br />
� Koordinieren die vorhandenen Funktionen (prozessspezifisch)<br />
� (De-)aktivieren Funktionen zur rechten Zeit mit den richtigen<br />
Parametern<br />
� Ermöglichen die schrittweise, zeit- <strong>und</strong> ereignisdiskrete<br />
Abarbeitung sequenzieller <strong>und</strong> paralleler Abläufe<br />
� Realisieren damit komplexe Prozessabläufe, z.B.<br />
Herstellungsvorschriften für Produkte (Rezepte)<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 3
Realisierung von <strong>Ablaufsteuerung</strong>en<br />
• Formulierung eines Steuerungsproblems als Automat<br />
mit<br />
– Schritten (definiert durch Aktionen) <strong>und</strong><br />
– Transitionen (definiert durch Bedingungen)<br />
• Vereinfachtes Petri-Netz<br />
– Automat mit Nebenläufigkeit (Verzweigungen!)<br />
– Mehr als ein Zustand kann aktiv sein!<br />
• Aktionen<br />
– In jedem Schritt wird eine Menge von Aktionen ausgeführt, bis<br />
der Übergang weiter geschaltet hat<br />
� Schrittkette, Ablaufkette, sequential function chart (SFC)<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 4
Beispiel: Ampelschaltung<br />
• Ablauf:<br />
– Beim Einschalten ROT<br />
– Schritt 1:<br />
30 Sek<strong>und</strong>en ROT<br />
– Schritt 2:<br />
5 Sek<strong>und</strong>en ROTGELB<br />
– Schritt 3:<br />
20 Sek<strong>und</strong>en GRÜN<br />
– Schritt 4:<br />
5 Sek<strong>und</strong>en GELB<br />
– Schritt 5:<br />
weiter bei Schritt 1<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 5
Beispiel: Ampelschaltung<br />
Schritt<br />
Transition<br />
Kante<br />
Aktion<br />
Weiterschaltbedingung<br />
Sprung<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 6
Aufbau von Schrittketten<br />
• Schrittkette = wechselweise Abfolge von Schritten <strong>und</strong><br />
Transitionen , die über gerichtete Kanten verb<strong>und</strong>en sind<br />
• Erster Schritt = Start-Schritt<br />
– Einstiegspunkt, initialisiert die Funktionen<br />
• Letzter Schritt = Ende-Schritt<br />
– Einziger Schritt ohne Folgetransition<br />
– Kann bei zyklischen Prozessen mit Start-Schritt verknüpft sein<br />
(Kettenschleife), dann mit Folgetransition<br />
• Transitionen schalten, wenn<br />
– Alle vorgeschalteten Schritte aktiv sind<br />
– Die Weiterschaltbedingung erfüllt ist<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 7
Gr<strong>und</strong>formen von Schrittketten<br />
t 1<br />
T 2<br />
S 1<br />
S 2<br />
S 3<br />
t 1<br />
t 3<br />
S 1<br />
S 2<br />
S 4<br />
t 2<br />
t 4<br />
Einfache Kette Alternativverzweigung Parallelverzweigung<br />
S 3<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 8<br />
t 1<br />
t 2<br />
S 1<br />
S 2<br />
S 4<br />
S 3
Alternativ- & Parallelverzweigung<br />
• Alternativverzweigung<br />
– Es wird genau ein Ast abgearbeitet<br />
– Transitionen in die einzelnen Äste nach der Verweigung<br />
– üblicherweise komplementär zueinander, Auswertung von links<br />
nach rechts<br />
• Parallelverzweigung<br />
– Es werden alle Äste parallel abgearbeitet<br />
– Transitionen vor der Verzweigung<br />
– Bei der Zusammenführung geht es erst weiter, wenn alle Äste<br />
abgearbeitet sind<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 9
Interaktion von Ablauf- <strong>und</strong><br />
Verknüpfungssteuerungen<br />
• Schritten werden Aktionen zugeordnet<br />
– Setzen Steuersignale in der Verknüpfungssteuerungen<br />
– Parametrieren <strong>und</strong> (de-)aktivieren Verknüpfungssteuerungen<br />
– Verschiedene Verarbeitungsarten für die Steuersignale<br />
• Transitionen verarbeiten Prozesssignale<br />
– Prüfung der Weiterschaltbedingung durch Auswertung <strong>und</strong><br />
Kombination von Prozesswerten<br />
� Prozess- <strong>und</strong> Steuersignale müssen global deklariert<br />
(Symboltabelle) oder direkt adressiert werden<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 10
Verarbeitungsarten von Aktionen<br />
N Ausführen/Setzen solange Aktion aktiv (Standard)<br />
R Rücksetzen (bis nächstes S)<br />
S Setzen (bis nächstes R)<br />
L Ausführen/Setzen solange Aktion aktiv, jedoch maximal x<br />
Zeiteinheiten<br />
D Zeitverzögert Ausführen/Setzen<br />
P Einmalige Ausführung/Impuls bei Betreten des Schritts<br />
SD verzögert <strong>und</strong> gespeichert<br />
DS gespeichert <strong>und</strong> verzögert<br />
SL gespeichert <strong>und</strong> zeitbegrenzt<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 11
Beispiel: Beschickungsanlage<br />
Wenn Starttaster S0=1 <strong>und</strong> Wagen<br />
an Rampe (S2=1), dann<br />
1. erst Transportband an (K1=1) <strong>und</strong><br />
2. nach 3 Sek. Förderschnecke an<br />
(K2=1)<br />
Wenn Wagen gefüllt (S3=1),<br />
Stoptaster bedient (S1=0), oder<br />
Wagen nicht mehr an Rampe<br />
(S2=0), dann<br />
1. Förderschnecke abschalten<br />
(K2=0)<br />
2. 2. nach 5 Sek. Transportband aus<br />
(K1=0)<br />
Förderschnecke<br />
E-1<br />
Transportband<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 12<br />
M<br />
K1<br />
M<br />
K2<br />
Waage<br />
S3<br />
S0 Start<br />
S1 Stop<br />
S2
Entwurf Beschickungsanlage<br />
• Vier Zustände<br />
– Z0: ( Initialisierung, K1=0, K2=0 )<br />
– Z1: ( Befüllen, K1=1, K2=0 )<br />
– Z2: ( Befüllen, K1=1, K2=1 )<br />
– Z3: ( Anhalten, K1=1, K2=0 )<br />
– ( Anhalten, K1=0, K2=0 ) = ( Initialisieren, K1=0, K2=0)<br />
Z<br />
0<br />
S0 S2<br />
Z<br />
1<br />
3 sec<br />
S0 S2 S1v!S2v!S3<br />
5 sec<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 13<br />
Z<br />
2<br />
Z<br />
3
Analyse Beispiel<br />
• Schritte<br />
– S001, S002, S004, S005<br />
• Transitionen<br />
– Zustandsgesteuert<br />
• S001� S002<br />
– Zeitgesteuert<br />
• S002�S004<br />
• S004�S005<br />
• Aktionen<br />
– N: Setze Variable solange in<br />
Schritt<br />
– D: Setze zeitverzögert einen<br />
Impuls<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 14<br />
S0<br />
S2<br />
S1<br />
S2<br />
AND<br />
OR<br />
T1<br />
T2<br />
S 1<br />
S 2<br />
S 3<br />
S 4<br />
S1<br />
N<br />
D<br />
Time#3s<br />
N<br />
N<br />
N<br />
D<br />
Time#5s<br />
K1<br />
T1<br />
K1<br />
K2<br />
K1<br />
T1
Schutzfunktionen in <strong>Ablaufsteuerung</strong>en<br />
• Prozessspezifische Schutzfunktionen müssen in den<br />
<strong>Ablaufsteuerung</strong>en implementiert werden<br />
– Störüberwachung der angesteuerten Geräte <strong>und</strong><br />
automatische Anlagensicherung im Störungsfall<br />
– Manuelle Störungsbeseitigung im Falle anormaler Prozesszustände<br />
(Verklemmungen, Gerätestörung)<br />
– Sicheres <strong>und</strong> prozesstechnisch zulässiges Wiederanfahren<br />
nach längerer Unterbrechung<br />
� Automatisches Anhalten der Schrittkette<br />
� Ansteuerung der entsprechenden Schutzfunktionen<br />
der FB in den Verknüpfungssteuerungen<br />
� Wechselmöglichkeit zw. den Betriebsarten<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 15
Betriebsarten in <strong>Ablaufsteuerung</strong>en<br />
• Manuelle Eingriffe sind notwendig<br />
– Zur manuellen Störungsbeseitigung<br />
– Zum Test <strong>und</strong> zur Inbetriebnahme der Anlage<br />
• Betriebsarten:<br />
– Automatikbetrieb: Ausführung entsprechend der Weiterschaltbedingungen<br />
– Handbetrieb: Ausführung entsprechend der Vorgaben des<br />
Bedieners<br />
– Mischbetrieb: Ausführung entsprechend der Weiterschaltbedingungen<br />
<strong>und</strong>/oder der Vorgaben des Bedieners<br />
• Verschiedene Schaltmodi im Handbetrieb:<br />
– Z.B: Starten, Stoppen, Anhalten, Beenden, Abbrechen,<br />
Fortsetzen, Neustarten, Rücksetzen, Fehler (Siemens PCS 7)<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 16
Unsichere Strukturen in Schrittketten<br />
• Fehlerhafte Schrittketten durch Schleifen <strong>und</strong> Sprünge<br />
– Unsichere Kette: enthält Strukturen, deren Erreichbarkeit<br />
durch das definierte Ablaufverhalten nicht sichergestellt ist<br />
– Partielle Verklemmung: Kette enthält eine innere Schleife,<br />
die nicht mehr verlassen wird<br />
– Totale Verklemmung: Kette enthält eine Struktur, für die<br />
keine zulässige Weiterschaltbedingung existiert<br />
� Solche Strukturen müssen mit formalen Entwurfsmethoden<br />
ausgeschlossen werden<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 17
Unsichere Strukturen in Schrittketten<br />
t 1<br />
t 4<br />
t 6<br />
S 1<br />
S 2 S 3<br />
S 6<br />
t 2<br />
S 4<br />
t 3<br />
t 5<br />
t 7<br />
S 5<br />
S 7<br />
Unsichere<br />
Struktur<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012<br />
t 1<br />
t 3<br />
t 4<br />
S 1<br />
S 2 S 3<br />
S 5<br />
t 2<br />
S 4<br />
Unerlaubte<br />
Struktur<br />
Folie 18
Entwurf von <strong>Ablaufsteuerung</strong>en<br />
• Vielzahl von formalen Entwurfsmethoden, z.B.<br />
– Zustandsgraphen: Modellierung als zusammenhängender,<br />
gerichteter Graph mit Stellen <strong>und</strong> gerichteten Kanten<br />
� Genau ein aktiver Zustand im Graphen<br />
� Zustände sind mit Aktionen verknüpft, Übergänge mit<br />
Bedingungen<br />
� Können hierarchisch gegliedert <strong>und</strong> miteinander verknüpft werden<br />
– Petri-Netze: Modellierung als zusammenhängender, gerichteter<br />
Graph mit Stellen, Transitionen <strong>und</strong> gerichteten Kanten<br />
� Stellen <strong>und</strong> Transitionen wechseln einander ab<br />
� Alternativ- <strong>und</strong> Parallelverzweigungen sind möglich<br />
� Dynamik des Systems wird durch Bewegung von Marken innerhalb<br />
des Netzes modelliert (Nebenläufigkeit)<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 19
Petri-Netze zum Steuerungsentwurf<br />
• Semantik von Petri-Netzen ist gr<strong>und</strong>sätzlich nicht festgelegt<br />
– Festlegung der Semantik je nach Anwendungsfall<br />
� Interpretiertes Petri-Netz (IPN):<br />
– Petri-Netz mit definierter Semantik<br />
– Festgelegte Informationsein- <strong>und</strong> –auskopplung<br />
� Stellen: Aktionen => Ausgabesignale<br />
� Transitionen: Bedingungen => Eingangssignale<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 20<br />
Bildquelle: Abel, Lemmer (Hrsg.) Theorie<br />
ereignisdiskreter Systeme, 1998
Übliche Interpretierte Petri-Netze<br />
• Steuerungstechnisch Interpretiertes Petri-Netz (SIPN)<br />
– IPN-Eingangssignale = Sensorsignale<br />
– IPN-Ausgangssignale = Aktorsignal<br />
� Zum Entwurf des Steuerungsalgorithmus<br />
• Prozessbezogen Interpretiertes Petri-Netz (PIPN)<br />
– Umgekehrte Zuordnung der Signale<br />
� Zur Modellierung der nominalen Prozesse der Strecke<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 21
Steuerungsentwurf mit Interpretierten<br />
Petri-Netzen<br />
1. Modellierung des nominalen zu steuernden Prozesses als PIPN<br />
− Vorgesehener Prozessablauf einschl. Störungen im Prozess<br />
− Modellierung in Sensorik <strong>und</strong> Aktorik<br />
2. Formelle Spezifikation der Aufgabenstellung als SIPN<br />
− Z.B. Mittels Rückwertsverschiebung (Zander, 2005)<br />
3. Analyse <strong>und</strong> Simulation des Gesamtsystems<br />
− Verklemmungsfreiheit<br />
− Konfliktfreiheit (außer bewusst modellierte)<br />
− Widerspruchsfreiheit der Ausgangsbelegung<br />
− Keine instabilen Zwischenmarkierungen<br />
4. Implementierung des SIPN auf das Zielsystem<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 22
Beispiel: Kreuztisch<br />
PIPN<br />
Rückwärtsverschiebung<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012<br />
SIPN<br />
Folie 23
Beispiel: Kreuztisch<br />
SIPN PIPN<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 24<br />
Bildquelle: Abel, Lemmer (Hrsg.) Theorie<br />
ereignisdiskreter Systeme, 1998
Zusammenfassung<br />
• <strong>Ablaufsteuerung</strong>en realisieren prozessspezifische<br />
Funktionen<br />
– Sequenziell/parallel, zeit-/ereignisgetrieben<br />
– Verknüpft mit Verbindungssteuerungen über Aktionen <strong>und</strong><br />
Bedingungen<br />
– Steuern in versch. Verarbeitungsarten die Funktionen der<br />
Basisautomatisierung zur Realisierung von Rezepten<br />
– Realisieren Schutzfunktionen <strong>und</strong> versch. Betriebsarten<br />
• Zustandsgraphen <strong>und</strong> Petri-Netze sind häufige<br />
Entwurfs-verfahren für <strong>Ablaufsteuerung</strong>en<br />
– Interpretierte Petri-Netze (SIPN <strong>und</strong> PIPN) ermöglichen<br />
systematisches Steuerungsentwurfs- <strong>und</strong> Verifikationskonzept<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012<br />
Folie 25
Literatur<br />
• [1] Jörns, C.: Ein integriertes Steuerungsentwurfs- <strong>und</strong><br />
Verifikationskonzept mit Hilfe interpretierter Petri-Netze.<br />
Dissertation, Universität Kaiserslautern (1996).<br />
• [2] Litz, L.: Entwurf industrieller Prozesssteuerungen auf der Basis<br />
geeigneter Petri-Netz-Interpretationen. In: Schnieder, E. (Hrsg.):<br />
Entwurf komplexer Automatisierungssysteme. Braunschweig, 1995.<br />
• [3] Uhlig, R.: SPS – Modellbasierter Steuerungsentwurf für die<br />
Praxis. Oldenbourg Verlag, 2005.<br />
• [4] Wellenreuther, G. <strong>und</strong> Zastrow, G.: Automatisieren mit SPS:<br />
Theorie <strong>und</strong> Praxis. Vieweg <strong>und</strong> Teubner, 2002.<br />
• [5] Zander, H., (2005). Entwurf von <strong>Ablaufsteuerung</strong>en für<br />
ereignisdiskrete Prozesse auf der Basis geeigneter<br />
Steuerstreckenmodelle. at - Automatisierungstechnik: Vol. 53, Issue<br />
3, S. 140-150.<br />
22.05.2012 PLT1 / Urbas (c) 2008-2012 Folie 26
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