Kontrollteknologi

Kontrollteknikk inkluderer design og implementering av kontroller , det vil si den styrte påvirkningen av oppførselen til tekniske systemer ( enheter , apparater , maskiner , anlegg og biologiske systemer ). Som kontrollteknologi er det et underområde for automatiseringsteknologi . Kontrollene er delt inn i binære , analoge og digitale kontroller.

I binære kontroller er input- og output -variablene til kontrollenhetene binære . Systemet som skal kontrolleres (kontrollbane) påvirkes av de binære utgangsvariablene til kontrollsystemet ved bruk av aktuatorene . Eksempler på aktuatorer er et lys , en ventil eller en motor . De binære inngangsvariablene til kontrollen er driftssignaler fra mennesker og tilbakemeldingssignaler fra sensorer i kontrollinjen, for eksempel bryterposisjon (på / av), ventilposisjon (åpen / lukket) eller bevegelsestilstand for motoren ( roterende / stående). For eksempel kontrolleres belysning , vannføring eller bevegelse av et kjøretøy.

Når det gjelder binære kontroller, skilles det mellom logikk og sekvenskontroller . Når det gjelder sekvenskontroller, rapporteres relevante verdier for kontrollvariablene tilbake til kontrollinngangen ved hjelp av sensorer. Hvis det derimot ikke er noen tilbakemelding, snakker man om logiske kontroller , hvis virkemåte er binær eller flerverdi.

Informasjonsbehandling i komplekse binære kontroller er preget av de logiske koblingene mellom inngangssignalene i kontrollprogrammet (inkludert signalene rapportert tilbake fra sensorene). Binære kontroller kan derfor beskrives og beregnes ved bruk av binær matematikk. ^[1]

I analoge kontroller er inngangs- og utgangsvariablene til styreenheten analoge signaler ; disse kontrollene har ingen tilbakemelding. Et eksempel på en analog kontroll er den konstante endringen av en spakposisjon når du dreier en kamplate som spaken er påført. Analoge kontroller kan beskrives som lukket sløyfekontroll ved bruk av differensialligninger.

En kontroller kalles en digital kontroller hvis den behandler digitale signaler . Digitale signaler er flerbitsignaler, hvis individuelle biter er en del av en kodet informasjonsrepresentasjon. For å behandle digitale signaler kreves kontrollkommandoer med byte- eller ordoperander, såkalte ordinstruksjoner. ^[2]

I dag er de fleste kontrollene binære eller digitale , hvorved sekvenskontrollene dominerer langt (flere kontrollvariabler påvirkes etter hverandre). Du har flere eller til og med mange innganger og utganger. I tillegg til startsignalet så vel som andre styresignaler, stammer inngangssignalene ikke fra operatøren, men fra kontrollsporet, og er utstyrt med sensorer som er registrert og rapportert tilbake (tilbakemelding) for kontrollvariablene. Det respektive påfølgende trinnet i prosessen utføres bare når det forrige trinnet er fullført. Dette betyr at det er påfølgende lukkede underkontrollsløyfer som imidlertid ikke skal forveksles med den ikke-delte lukkede kontrollsløyfen . Formålet er en teknisk "selvkorreksjon" av den kontrollerte variabelen som finner sted ved funksjonsfeil. Kontroller, som også er designet mot forstyrrelser, forårsaker farlige verdier av kontrollvariablene som prosessen som skal kontrolleres overføres til en sikker tilstand eller slås av. ^[1]

For å takle kompleksiteten i moderne kontroller, er det spesielle metodiske hjelpemidler for utformingen av dem i form av ulike teoretiske modeller og tilsvarende datamaskinstøtte verktøy . Slike verktøy brukes også til simulering, planlegging, prosjektplanlegging, programmering og service (feildiagnose, vedlikehold og reparasjon).

Historie om kontrollteknologi

Perforert båndkontroll på en historisk jacquardvev

Historiske røtter

Historiske eksempler

Den greske oppfinneren Heron of Alexandria (ca. 20–62 e.Kr.) beskriver i sitt verk "Automata" en dørkontroll der templedøren åpnes ved å tenne en brann (kontinuerlig kontroll), også automatisk teater som styres av seg selv. utføre forskjellige bevegelser. Han designet også en hellig vannmaskin som dispenserte en liten mengde innviet vann etter å ha satt inn en mynt. Imidlertid har disse ideene blitt glemt i løpet av tiden og ikke blitt videreutviklet.
På begynnelsen av 1700 -tallet ble musikkbokser kontrollert av pinnevalser. På midten av 1700-tallet ble vevemaskinene kontrollert av kort av tre, som Joseph-Marie Jacquard forbedret betydelig i 1805 med et sirkulært perforert belte.

Tidstabell for komponenter og enheter for kontrollteknologi

I 1835 oppfant Joseph Henry det elektromekaniske reléet.
I 1947 ble transistoren oppfunnet i USA.
1954 ble den første numeriske kontrollen med elektronrør produsert.
I 1958 Siemens elektronisk byggekloss -system for binære kontroller kommer på markedet, som består av diskrete komponenter som dioder, transistorer og motstander.
1969 Richard E. Morley oppfinner den programmerbare logikk -kontrolleren (PLC) hos det amerikanske selskapet Modicon (type Modicon 084). Samtidig utviklet Odo J. Struger fra Østerrike en tilsvarende PLS for det amerikanske selskapet Allen-Bradley .
1970 -tallet: Den programmerbare logiske kontrolleren (PLC) erstatter individuelt bygde elektroniske, pneumatiske og relékontroller.
I 1971 ble mikroprosessoren oppfunnet i USA. Siden 1975 har han stadig mer penetrert PLC -teknologi og har kontinuerlig utvidet ytelsen og fleksibiliteten til i dag.

Kontrollteknologi og industriell utvikling

Kontrollteknologiens viktige rolle i industriell utvikling er også tydelig i det fremtidige industri 4.0 -prosjektet til den tyske føderale regjeringen og industrien, der fire stadier av den industrielle revolusjonen skilles ut:

trinn 1
Fra og i 1784 med bruk av mekaniske vevstoler , som ble videreutvikles til vevemaskiner, særlig gjennom tre hullkort kontroller og senere kontroller med rullerende belter.
Nivå 2
Fra og i 1870 med den første anvendelse av samlebånd i USA ( Cincinnati slakterier) ved hjelp av elektriske drivenheter som ble slått av egnede kontaktor og relé kontroller.
nivå 3
Fra 1969 med de første programmerbare logikkontrollerne fra det amerikanske selskapet Modicon (type Modicon 084, oppfinner: Richard E. Morley ), som markerte et gjennombrudd innen industriell elektronikk og informasjonsteknologi for massekontroll og automatisering av produksjonen.

Nivå 4: Industri 4.0
Begynnelsen av 2012 med utvikling og bruk av såkalte cyber-fysiske systemer (CPS) med globalt nettverk for global optimert kontroll av internasjonalt organisert produksjon ( Internet of Things ). Denne trinnvise overgangen fra tredje til fjerde etappe har blitt stadig mer tilgjengelig for et bredere publikum siden 2013 med Hannover Messe .

Historie om standardisering av kontrollvilkår

Teorien om kontrollteknologi har ligget bak den for kontrollteknologi den dag i dag, noe som blant annet gjenspeiles i utilstrekkelig standardisering og definisjon av relevante termer.

I mange år har DIN-standardisering differensiert mellom lukket sløyfe og åpen kjede . Siden det også er lukkede undersirkler innen digital kontrollteknologi, ble kontrollsystemet omdefinert i 1994 i den tredje, for tiden gyldige utgaven av DIN 19226 ( regulerings- og kontrollteknologi , erstattet uendret av DIN-IEC 60050-351 siden 2002): " Identifikasjon for kontroll er den åpne handlingsveien eller en lukket handlingsbane der utgangsvariablene påvirket av inngangsvariabler ikke virker kontinuerlig og ikke virker på seg selv igjen via de samme inngangsvariablene ”. Underordnet klausul er avgjørende ... utgangsvariablene påvirket av inngangsvariabler virker ikke kontinuerlig og virker ikke på seg selv igjen via de samme inngangsvariablene . Sammenligningen av åpen eller lukket handlingsbane (kontroll) til lukket krets (kontroll) har bidratt mer til usikkerhet enn til avklaring.

Programmeringsstandarder for programmerbare logikkontrollere

I kontrollstandarden DIN 19237 har de ulike typene programimplementering allerede blitt klassifisert ved hjelp av tilkoblingsprogrammerte og minneprogrammerbare kontroller .

DIN 19239 -standarden: "Måling, kontroll, regulering - kontrollteknologi - minneprogrammerte kontroller - programmering" ble opprettet av den tyske kommisjonen for elektrisk, elektronisk og informasjonsteknologi . Det første utkastet ble utgitt i 1981 og erstattet av en utgitt versjon i 1983. DIN 19239 definerer tre programmeringsspråk for kontroller:

Instruksjonsliste (STL),
Stigediagram (LAD),
Funksjonsdiagram (FBD).

DIN 19239 ble trukket tilbake i 1994 og erstattet av en DIN basert på den identiske europeiske standarden DIN EN 61131-3 . I tillegg til de tre nevnte er to andre programmeringsspråk inkludert, så totalt fem:

Sekvensielt funksjonsdiagram (SFC, sekvensielt funksjonsdiagram)
Strukturert tekst (ST).

Den resulterende internasjonale standarden IEC 61131-3 (også IEC 1131 eller 61131) er den eneste globalt gyldige standarden for programmeringsspråk for programmerbare logiske kontrollere.

Binære kontrollers art

I henhold til DIN 19226, 3. utgave 1994, del 1 eller DIN IEC 60050, del 351, er binær kontroll eller binær kontroll en prosess i et system, bestående av en styreenhet og en styrebane, der en eller flere prosessvariabler i Kontrollbanen, som omtales som kontrollvariabler, kan påvirkes av binære utgangsvariabler for kontrollenheten (også kalt styringssignaler) i samsvar med en spesifisert kontrollalgoritme (kontrollprogram).

Signaler i binære kontrollsystemer

Input- og output -variablene er binære signaler. Dette er mengder med diskrete verdier, hvis informasjonsparametere bare kan ha to verdier, angitt med 0 og 1.

Når det gjelder binære inngangssignaler, må det skilles mellom driftssignaler som legges inn via betjeningsenheter som brytere eller knapper, og binære målesignaler som registreres av sensorer (for eksempel grensebrytere eller lysbarrierer).

Fra de binære inngangssignalene til kontrollen betyr at kontrollalgoritmen kan dannes ved logisk å kombinere utgangssignalene til binære styresignaler tilsvarende, hvilke aktuatorer (også kalt aktuatorer referert til, f.eks. Relébryter, koblingskontaktor, magnetventil eller motor) til kontrollobjektet (teknologisk prosess, kontrollbane) og derved endre kontrollvariabler (utdata fra den teknologiske prosessen).

Kontrollvariablene kan enten være variabler med diskrete verdier (f.eks. Signaler for å slå belysningen på og av ved hjelp av en vekslende eller kryssforbindelse) eller analog , dvs. verdi- og tidskontinuerlige variabler (f.eks. Temperatur, trykk, nivå, avstand, vinkel , Roterende hastighet).

Signalstrømmen i kontrollsystemer kan ha to forskjellige grunnstrukturer:

Åpen kontrollkjede , der sensorene tar informasjonen (målesignaler) fra miljøet, men ikke fra den teknologiske prosessen (kontrollvei),

Lukket kontrollkrets , der sensorene tar informasjonen deres (tilbakemelding: binære signaler) fra den teknologiske prosessen (sekvensstyring).

Kontrolltyper

Kontrollsystem med visning av signaler, styretyper samt tilhørende drift og programmering

Lenke kontroll

flytkontroll

Flertallet av alle typer kontroll i praktiske applikasjoner er sekvenskontrollene Det skilles her mellom prosessstyrte og tidskontrollerte sekvenskontroller.

I tillegg til "logikk og sekvenskontroller", er det også kontroller der ingen sensorsignaler (dvs. ingen tilbakemelding) er inkludert, og som bare behandler en tidsplan (tidsprogram) eller ruteplan (ruteprogram) via utgangene og nedstrømsaktuatorene :

Tidsprogramkontroll: hendelsesrekkefølge i henhold til en spesifisert tidsplan, f.eks. B. ved et enkelt lyskryss

Ruteprogramkontroll: hendelsesrekkefølge i henhold til en spesifisert ruteplan, f.eks. B. i en kopifrasemaskin eller kopieringsdreiebenk.

Disse kontroll- og ruteplankontrollene, som åpne kontroller (programkontroller), utgjør en relativt liten andel av alle kontrolltyper.

Nye tilnærminger til beskrivelsen av operasjonelle sekvenser av logikk og sekvenskontroller

Siden rundt 1995 har det blitt gjort forsøk i faglitteraturen for å beskrive kontroll mer presist, på den ene siden for å vise forholdet til kontrollen tydeligere og på den annen side å tydeligere skille de forskjellige kontrolltypene fra hverandre : Zander , Töpfer (1996), ^[3] Lunze (2003), ^[4] Langmann (2004), ^[5] Litz (2005), ^[6] Heimbold (2015). ^[7]

I Wellenreuther / Zastrow (1995) ^[8] og Bergmann (1999) ^[9] er definisjonen av logiske kontroller noe mer presis enn DIN 19226, ved at det skilles mellom logiske kontroller med og uten lagringsatferd.

Zander utviklet en ny måte å se på de operative sekvensene av sekvenskontroller, som ble utviklet på grunnlag av en omfattende analyse av strukturen og oppførselen til kontrollinjer. ^[10] For prosessene i sekvenskontroller introduseres begrepet "hendelsesdiskret prosess" som en mer presis definisjon av det tidligere brukte begrepet "diskontinuerlig prosess". Det antas at kontrollvariablene i sekvenskontroller hovedsakelig er analoge variabler, f.eks. B. Trykk, temperaturer, nivåer, avstander, vinkler, hastigheter. Et vesentlig trekk ved denne tilnærmingen er at mens en diskret hendelsesprosess kjører, fungerer de binære styresignalene som sendes ut av styreenheten som trinnfunksjoner på de analoge kontrollvariablene og at deres funksjonsverdier endres som følge av trinnresponser iht. den respektive tidsatferden. Så z. B. endringen i nivået når du fyller en beholder på en I -oppførsel. Tilsvarende terskelverdier skal defineres for kontrollvariablene. Hvis en kontrollvariabel når en terskelverdi som er angitt for det, settes det binære styresignalet som forårsaket endringen i kontrollvariabelen til verdien null av styreenheten. I henhold til kontrollalgoritmen implementert i kontrollenheten sendes det neste styresignalet ut og prosessen med diskret hendelse fortsetter dermed. Å nå en terskelverdi for en kontrollvariabel kalles en "hendelse". Dette forklarer navnet "Diskret hendelsesprosess". En hendelse er også tilstede når en operatørhandling utføres eller et bestemt tidsrom har gått i en tidtaker. Når en hendelse oppstår, initieres en endring av operasjonen per definisjon i en diskret hendelsesprosess. For dette formålet rapporteres hendelsene til kontrollenheten med såkalte hendelsessignaler. Hendelsessignaler er binære målesignaler, binære driftssignaler og binære utgangssignaler fra timingelementer.

På dette grunnlaget er sekvenskontroller , dvs. kontroller for prosesser med diskrete hendelser, definert som følger (Zander):

En sekvensstyring er en prosess der et binært styresignal genereres av et hendelsessignal som kommer inn i styreenheten i henhold til den implementerte kontrollalgoritmen, og en trinnfunksjon utøves derved på en analog kontrollvariabel, slik at denne kontrollvariabelen utfører en trinnrespons og dermed kjører en operasjon til det igjen kommer et hendelsessignal relatert til det, som har konsekvensen av å avslutte det nåværende trinnresponset og aktivere ytterligere trinnfunksjoner til kontrollenheten, etc.

Sekvenskontroller er preget av påfølgende lukkede delvise sirkler (tilbakemelding) og hovedsakelig analoge kontrollvariabler.

Eksempler på sekvenskontroller:

Vaskemaskinkontroll: I en vaskemaskin startes og stoppes vanntilførselen, tilsetning av oppvaskmiddel, oppvarming og elektrisk motor for å flytte trommelen ved å behandle informasjon om vannstand, temperatur og tid i forbindelse med et valgt kontrollprogram på en slik måte at rent og sentrifugert eller tørt tøy blir opprettet.
Heiskontroll
Mediekontroll: lyd-, video- og lysstyring under et show.

I motsetning til sekvenskontroller endrer logiske kontroller ikke først og fremst verdiene til analoge kontrollvariabler, men bare diskrete verdi (f.eks. Binære) kontrollvariabler som utganger fra kontrollbanen. For dette formålet genereres binære styresignaler i styreenheten ved logisk å koble de binære inngangssignalene, noe som får kontrollvariablene til å byttes. Det er ingen tilbakemelding på en koblingsoperasjon som utføres fra utgangene fra kontrollbanen til inngangene til styreenheten ved logiske kontroller.

På dette grunnlaget er "logiske kontroller" definert som følger (Zander):

En logisk kontroll er en prosess der, i tilfelle en endring i verdiene til binære drifts- og / eller målesignaler ved hjelp av en logisk kombinasjon, muligens med inkludering av interne tilstander, i henhold til et kontrollprogram, en endring i verdiene for binære aktiveringssignaler oppstår, hvorved en eller flere to- eller flerverdige kontrollvariabler forekommer påvirkes ved utgangen av kontrollbanen, slik at de antar verdien foreskrevet for dem av kontrollalgoritmen.

Egenskapene til den logiske kontrollen er en åpen handlingssekvens og binære eller flerverdige kontrollvariabler .

Inkludering av interne tilstander kan skje ved bruk av lagringselementer. Logiske kontroller kan derfor være kombinatoriske systemer (uten minne) eller sekvensielle systemer (med minner).

Eksempler på logiske kontroller:

Vekslende eller kryssbryter for å slå lys eller enheter på og av ved hjelp av brytere på forskjellige steder (kombinatorisk lenkkontroll).
Bytte et signallys mellom inaktiv lys, raskt blinkende lys, permanent lys og sakte blinkende lys for å vise en feil som har oppstått eller er blitt eliminert, avhengig av en bekreftelse som ennå ikke er utført eller har blitt utført (sekvensiell lenkkontroll).

Differensiering mellom binære kontroller og forskrifter

Binære kontroller og forskrifter er hovedsakelig forskjellige på følgende punkter:

Mål (oppgaver) : Kontroller forårsaker visse prosesser i kontrollobjektene (kontrollerte prosesser), kontroller derimot sikrer prosessstabilisering i nærvær av forstyrrelsesvariabler.

Informasjonsbehandling : I kontrollsystemer utføres det meste logiske operasjoner på binære signaler (OG, ELLER, IKKE, telling, lagring, tidsfunksjoner); i kontrollsystemer utføres aritmetiske funksjoner hovedsakelig mellom analoge størrelser (differansedannelse, multiplikasjon, integrasjon, differensiering). Av denne grunn kan differensialligninger brukes for beskrivelse og beregning av kontroller, mens midlene for binær matematikk må brukes for beskrivelse og beregning av kontroller. Spesielt er det bytte av algebra , anvendt automatteori og teorien om peternett .

Antall innganger og utganger : Industrielle kontroller har et stort antall innganger og utganger (vanligvis 10 til 100 og over). I kontrollteknikk, derimot, dominerer enkeltvariabel kontroller, dvs. kontrollenheter med en enkelt kontrollert variabel som inngang og en enkelt manipulert variabel som utgang. Flervariabel kontrollere, som i prinsippet har flere innganger (kontrollerte variabler) og flere utganger (manipulerte variabler), er sjeldnere, men ikke så mange som kontroller.

Kontroll og PLS

I den engelskspråklige faglitteraturen brukes ordet "kontroll" vilkårlig både for regulering og kontroll. Dette begrepet blir ofte ganske enkelt oversatt som "kontroll". Kunnskap om konteksten er derfor nødvendig for å kunne oversette riktig.

Den engelske ekvivalenten for "Programmable Logic Controller (PLC)" er "Programmable Logic Controller (PLC)", som er mye mer presis enn den tyske PLS fordi den logiske forbindelsen i kontrolleren fremheves som en vesentlig funksjon, mens lagringen av programmet er ikke vektlagt forbli.

Fordeler og ulemper med kontroller sammenlignet med forskrifter

Fordeler med kontroller:

Handlingsprosessene er enkle å forstå.
Hvis det oppstår en feil, kan prosessen påvirkes manuelt.
Det kan ikke være ustabil oppførsel og ingen skadelige overdrevne amplituder til kontrollvariabelen på grunn av feiljusterte kontrollere.
En spesiell måleenhet for tilbakemelding på kontrollvariabelen $y(t)$ ${\ displaystyle y (t)}$ $y (t)$ ikke nødvendig.

Ulemper med kontroller:

Passende tiltak kan bare brukes for å kompensere for kjente målbare forstyrrelser.
Kontrollbanen må være veldig kjent for at interferenskompensasjon skal være effektiv på ønsket måte.
Det er ingen tilbakemelding om referansevariabelen $u(t)$ ${\ displaystyle u (t)}$ $u (t)$ etter utgangsstørrelsen $y(t)$ ${\ displaystyle y (t)}$ $y (t)$ ble oppnådd.

Fordeler og ulemper med kontroller er beskrevet i artikkelen Control technology .

Typer implementering av kontrollenheter

Tilkoblingsprogrammert kontrollenhet (VPS)

Den tilkoblingsprogrammerte kontrollenheten er også kjent for kort (VPS).

Merk: Begrepet kontroll er faktisk en prosess, ikke en enhet. Kontrollenheten, derimot, er kontrollenheten, som imidlertid også blir referert til som kontroll for kort, slik at forvekslinger kan oppstå.

Enhetsspesifikke versjoner av tilkoblingsprogrammerte kontrollenheter er for eksempel:

mekanisk kontroll: f.eks. B. tappevalser av et fatorgan, kam,
elektrisk kontroll: f.eks. B. kontakter og releer,
pneumatisk eller hydraulisk kontroll,
elektronisk kontroll: f.eks. B. Logiske porter, programmerbar logisk krets.

Programmerbar logisk kontroller (PLC)

Kompakt PLS for små kontroller ( Siemens : System LOGO!)

Den programmerbare logiske kontrolleren (PLC) kalles også en programmerbar logisk kontroller for kort. Flertallet av programmerbare logiske kontrollere er forkortet til PLSer .

PLS er i utgangspunktet en mikrokontroller med tilsvarende minner for kontrollprogrammer og kontrollparametere, samt tilhørende innganger for sensorsignaler og utganger for aktuatorsignaler, supplert med grensesnitt mellom mennesker og maskiner for drift og grensesnitt for industriell kommunikasjon for programmering og nettverk.

Modulær PLS av middels og høy ytelse ( Siemens : System Simatic S7-1500)

PLS er den mest brukte typen kontroll i dag. I prinsippet kan den også brukes som kontroller , siden den aritmetiske-logiske enheten (ALU) til den interne mikroprosessoren kan løse både de logiske kontrolloppgavene og de aritmetiske reguleringsoppgavene under informasjonsbehandling.

PLS danner derfor også grunnlaget for moderne kontrollteknologi for automatisering i den nasjonale økonomien. På grunn av deres universelle karakter har PLC -ene utviklet seg til et masseprodukt som produseres i millioner rundt om i verden. De muliggjør derfor masseapplikasjon av automatisering, kombinert med dens utbredte bruk på alle områder av økonomien og på mange områder av forbruksvarer.

PLS -teknologi har bidratt betydelig til å klargjøre de konseptuelle grensene mellom kontroll og regulering på den ene siden, og for å overvinne den når det gjelder enhetsteknologi på den andre. Denne utviklingsprosessen har endelig også påvirket filosofien og metodikken til designprosesser for utførte kontroller og forskrifter . Som et resultat har en vidtrekkende metodisk standardisering blitt oppnådd uten å negere deres indre detaljer og uten å bytte de PC-baserte designverktøyene.

Kontroll design

Design prosess

Ved utforming av kontroller er målet å utvikle en formell representasjon av de nødvendige prosess-sekvensene for en uformelt spesifisert kontrolloppgave, som gjør det mulig å lage en tilsvarende kontrollenhet slik at den ønskede diskrete hendelsesprosessen kjøres i kontrollsystemet gjennom kontrollen signaler den sender ut og mottatte målesignaler.

Når det gjelder tilkoblingsprogrammerte styreenheter, finner den formelle representasjonen sted i form av tekniske tegninger eller kretsdiagrammer, som angir hvordan komponentene skal kobles sammen for å koble de binære signalene. Når det gjelder programmerbare kontrollenheter, er det et spørsmål om å lage programmer som alle logiske koblinger implementeres i programvare.

Kontrollutformingen kan utføres enten intuitivt eller empirisk eller systematisk. I systematisk design snakker man også om opprettelsen av en kontrollalgoritme. Beskrivelsesmidlene og metodene for å bytte algebra, automatteori eller Petri nettteori brukes.

Beskrivende midler for kontrollalgoritmer

Det beskrivende middelet for å bytte algebra, automatteori og Petri -nettteori kan brukes til først grovt å skrive ned kontrollalgoritmene manuelt når du designer kontroller.

Sannhetstabell

E1	E2	OG A1	ELLER A2	EXCL-OR A3
0	0	0	0	0
0	1	0	1	1
1	0	0	1	1
1	1	1	1	0

Tildelingen av binære utgangssignaler A til binære inngangssignaler X kan representeres av en sannhetstabell. Verdiene til de binære signalene er angitt med sifrene 0 og 1.

Sannhetstabellen overfor inneholder 2 inngangssignaler E1 og E2, og det er 4 mulige inngangskombinasjoner for dette. I høyre del av tabellen vises funksjonsverdiene til de tre viktigste koblingene som utgangene A1 til A3: AND, OR, Exclusive-OR (non-equivalence).

Slike tabeller med flere utganger er en forkortet representasjon av individuelle tabeller med bare en enkelt utgang. En tabell med 4 innganger inneholder 16 forskjellige lenker (se boolsk funksjon ).

Slike sannhetstabeller kan antas ved utforming av kontrollsystemet. Etter en mulig forenkling med reglene for bytte av algebra eller med Karnaugh-Veitch-diagrammet , kan resultatet deretter brukes direkte til å implementere kontrollenheten.

Følgende eksempel brukes til å undersøke kontrollutformingen mer detaljert:

Oppgave

En pasient kan ringe sykepleieren ved å trykke på en ringeknapp via et opplyst display. I motsetning til en dørklokke må et trykk på knappen føre til en permanent melding for å bli lagt merke til selv om ringeknappen ikke lenger er trykket på (minnefunksjon). Det opplyste displayet bekreftes (tilbakestilles, slettes) av sykepleieren med en tilbakestillingsknapp.

Løsning

	Ringeknapp E1	Nullstillknapp E2	rapportere E3	rapportere A1
1	1	1	1	1
2	1	1	0	1
3	1	0	1	1
4.	1	0	0	1
5	0	1	1	0
6.	0	1	0	0
7.	0	0	1	1
8.	0	0	0	0

Die Problemstellung des Beispiels verlangt also Speicherverhalten, sodass in der Wahrheitstabelle neben den Sensoren (E1 und E2) auch der Aktorzustand, dh das Ausgangssignal A1, selbst als Eingang hinzugefügt werden muss (E3). Dadurch erhält die Tabelle 8 Zeilen.

Aus den Zeilen 1 bis 4 ist zu erkennen, dass bei gedrückter Ruftaste (E1 = 1) immer die Anzeige leuchtet (A1 = 1), die beiden Eingänge E2 und E3 also keine Rolle spielen ((Anm.: Bei dieser Darstellung muss die Ruftaste immer gedrückt sein, wenn der Wert 1 angegeben ist, dh Art der Speicherung nicht erkennbar)). Die Zeilen 5 und 6 zeigen, dass die Rückstellung (A1 = 0) von Eingang E3 unabhängig ist. In den Zeilen 7 und 8 steckt das Speicherverhalten der Steuerung: Die Leuchtanzeige behält ihren (alten) Zustand bei (A1 = E3), wenn beide Taster den Zustand 0 haben. Hier liegt also eine interne Rückführung des Meldungsausgangs A1 auf den Eingang E3 vor.

Die Leuchtanzeige besitzt also ein Speicherverhalten. Es handelt sich hierbei um eine sequentielle Verknüpfungssteuerung (s. Definition). Im folgenden Logik-Plan und im Relais-Schaltplan ist der Speicher als Selbsthaltekreis ausgebildet.

Schaltausdruck (Ausdruck der Booleschen Algebra bzw. der Schaltalgebra): $A1=E1\lor ({\overline {E2}}\land E3)$ $A1=E1\lor ({\overline {E2}}\land E3)$ $A1=E1\lor ({\overline {E2}}\land E3)$
$\lor$ $\lor$ $\lor$ steht für ODER, $\land$ $\land$ $\land$ steht für UND, — steht für NICHT

Logik-Plan

Logik-Plan (Funktionsplan FUP)

Logik-Plan (Funktionsplan FUP) :
≥1 steht für ODER, & steht für UND, O steht für NICHT

Der Logik-Plan ist eine Schaltung aus elektronischen Schaltgliedern.

Für die Grundverknüpfungen gibt es genormte Symbole, die ausführlich im Artikel Logikgatter beschrieben sind. (≥1 steht für ODER, & für UND, O ein Kreis am Eingang bzw. am Ausgang der Elemente für NICHT).

Relais-Schaltplan

Die UND-Verknüpfung wird als Reihenschaltung und die ODER-Verknüpfung als Parallelschaltung von Kontakten dargestellt. Für die Nicht-Verknüpfung wird ein Öffner verwendet.

Für Ablauf-Steuerungen von ereignisdiskreten Prozessen eignen sich insbesondere die folgenden Beschreibungsmittel:

Fachsprachen für SPS

Zur Programmierung von Speicherprogrammierbaren Steuereinrichtungen wurden aus den obigen Beschreibungsmitteln 5 spezifische Fachsprachen abgeleitet, denen Compiler beigeordnet sind, mit denen der Quelltext in die SPS-Maschinensprache übersetzt wird. Diese 5 Fachsprachen für SPSen wurden seit den 1990er Jahren schrittweise international genormt, wozu insbesondere die Europa-Norm EN 61131 und hierauf aufbauend die Norm der International Electrotechnical Commission IEC 61131-3 wesentlich beigetragen haben.

Mit diesen Normungen wurden wesentliche Schritte zur Vereinheitlichung getan, um der SPS-Technologie zu ihrem weltweiten Durchbruch zu verhelfen, der die SPS zum meistverwendeten Automatisierungsmittel gemacht hat. SPSen werden heute in Millionen-Stückzahlen hergestellt und sowohl für Ablauf-Steuerungen als auch für Regelungen und Messwertverarbeitungen eingesetzt. SPSen bilden damit das universelle Kernstück der zeitgemäßen Automatisierungsmittel und bewirken deren Massen- und Breiteneinsatz.

Anweisungsliste AWL

LDN E2 A A1 O E1 = A1	LD E2 R A1 LD E1 S A1
Anweisungsliste Variante 1	Variante 2

LD steht für Lade, N steht für NICHT, A steht für UND, O steht für ODER, S steht für Setzen (speichernd), R steht für Rücksetzen.

Kontaktplan KOP

Der Kontaktplan wurde abgeleitet vom oben dargestellten Relais-Schaltplan.

Funktionsplan FUP

Der Funktionsplan wurde abgeleitet vom oben dargestellten Logik-Plan.

Ablaufsprache SFC (Sequential Function Chart)

Die Ablaufsprache wurde abgeleitet vom steuerungstechnisch interpretierten Petri-Netz .

Strukturierter Text ST

Neben den speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) kommen auch Industrie-PC (IPC) zum Einsatz, die mit höheren Programmiersprachen programmiert werden. Diese Möglichkeit besteht auch bei modernen SPSen, sodass sich auch hier höhere Programmiersprachen als Fachsprachen der Steuerungstechnik immer mehr verbreiten. IPCs können mit relativ geringem Aufwand auch umfangreiche Zusatzfunktionen wie Visualisierungen, Protokollierungen und Statistiken bereitstellen.

Ausgeführte Programme benötigen Zeit. Nur Hard- und Software, die auch im ungünstigsten Fall synchron zum Prozess arbeiten kann, ist als Steuergerät geeignet und wird als echtzeitfähig bezeichnet. Im engeren Sinn bedeutet Echtzeit jedoch, dass Hard- und Software eines Rechners für diesen Zweck besonders ausgelegt sind. Rechner, die steuern, dürfen niemals überlastet sein, weil sie sonst mit dem Prozessablauf nicht Schritt halten können und somit ihre Echtzeitfähigkeit verlieren würden.

Prozessmodellbasierter Steuerungsentwurf

Während beim Entwurf von Regelungen mathematische Modelle der Regelstrecke einbezogen werden, verwendet man beim Entwurf von binären Steuerungen in der Praxis bisher lediglich gedankliche Modelle der Steuerstrecke . In den 1990er Jahren wurden erste Ansätze zum modellbasierten Entwurf von Steuerungen entwickelt, bei denen von einer Zerlegung der Steuerstrecken in Elementarsteuerstrecken ausgegangen wurde. Aus den sich daraus ergebenden Teilmodellen muss dann ein Gesamtmodell der Steuerstrecke gebildet werden. Dieses Vorgehen ist jedoch sehr aufwendig und wurde somit nicht praxiswirksam.

In den Jahren 2005 und 2007 wurde in der Fachzeitschrift „Automatisierungstechnik“ von Zander eine neuartige Methode zum Entwurf von Ablaufsteuerungen für ereignisdiskrete Prozesse publiziert, die es erlaubt, die in der Steuerungsaufgabe aus technologischer Sicht vorgegebenen Prozessabläufe direkt in ein Prozessmodell der gesamten Steuerstrecke umzusetzen. Daraus lässt sich dann durch einfache Transformationen der zugehörige Steueralgorithmus generieren. ^[11] ^[12]

In einer Buchpublikation wurde diese Methode zum prozessmodellbasierten Entwurf durch Methoden zur Prozessanalyse und Modellbildung von ereignisdiskreten Prozessen komplettiert. ^[13] Die Grundlage dazu bildet eine allgemein angelegte Struktur- und Verhaltensanalyse von Steuerstrecken auf der Basis der neuartigen Betrachtungsweise von Ablaufsteuerungen (s. oben), aus der sich ein tieferes Verständnis der Wirkungsabläufe ergibt.

Die Modellierung der ereignisdiskreten Prozesse erfolgt dabei durch prozessinterpretierte Petri-Netze. Die daraus generierten Steueralgorithmen werden in Form von steuerungstechnisch interpretierten Petri-Netzen dargestellt, die zur Realisierung direkt in eine Ablaufsprache für SPS umgewandelt werden können. Die Vorgehensweise wird an Praxisbeispielen demonstriert, ua durch den Entwurf einer „intelligenten“ Aufzugssteuerung für zehn Etagen.

Das Vorgehen beim prozessmodellbasierten Steuerungsentwurf kommt vor allem den Anwendern (Verfahrenstechniker, Fertigungstechniker ua) sehr entgegen, die es gewohnt sind, in Prozessabläufen zu denken. Sie müssen dadurch nicht die in der Steuerungsaufgabe gegebenen Prozessabläufe unmittelbar in Steueralgorithmen umwandeln, was insbesondere Neueinsteigern gewisse Schwierigkeiten bereitet. Darüber hinaus kann das zunächst für die Generierung des Steueralgorithmus gebildete Prozessmodell zugleich auch für die Simulation einer entworfenen Steuerung oder zusätzlich für eine Betriebsdiagnose genutzt werden.

Gleichzeitig bedeutet diese innovative Entwurfsstrategie für Steuerungen erstmals eine methodische Vereinheitlichung des grundsätzlichen Vorgehens beim Entwurf in der Steuerungstechnik mit dem in der Regelungstechnik , ohne dabei die Spezifik der speziellen Entwurfsverfahren und Entwurfswerkzeuge beider Gebiete in Frage zu stellen.

Siehe auch

Wiktionary: Steuerungstechnik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Portal: Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik

Portal: Elektrotechnik – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Elektrotechnik

Steuergerät (Automobilelektronik)
Kybernetik
Schaltungs- und Systementwurf in der Mikroelektronik
Integrierte Navigation bei der Lenkung von Fahrzeugen
Bewegungsregelung

Literatur

N. Wiener : Kybernetik. Regelung und Nachrichtenübertragung im Lebewesen und in der Maschine. ECON-Verlag, Düsseldorf/ Wien/ New York/ Moskau 1968, ISBN 3-430-19652-3 .
A. Lerner: Grundzüge der Kybernetik. 2. Auflage. Verlag Technik, Berlin 1971.
H. Gottschalk: Verbindungsprogrammierte und speicherprogrammierbare Steuereinrichtungen. Verlag Technik, Berlin 1984.
P. Neumann ua: SPS-Standard: IEC 1131 : Programmierung in verteilten Automatisierungssystemen. 3. Auflage. Oldenbourg-Industrieverlag, München/ Wien 2000, ISBN 3-8356-7005-0 .
W. Kriesel , H. Rohr, A. Koch: Geschichte und Zukunft der Mess- und Automatisierungstechnik. VDI-Verlag, Düsseldorf 1995, ISBN 3-18-150047-X .
J. Lunze : Automatisierungstechnik. 3. Auflage. R. Oldenbourg Verlag, München/ Wien 2012, ISBN 978-3-486-71266-7 .
J. Müller, B.-M. Pfeiffer, R. Wieser: Regeln mit SIMATIC. Praxisbuch für Regelungen mit SIMATIC S7 und SIMATIC PCS 7. 4. Auflage. Publicis Publication, Erlangen 2011, ISBN 978-3-89578-340-1 .
L. Litz : Grundlagen der Automatisierungstechnik. Regelungssysteme – Steuerungssysteme – Hybride Systeme. 2. Auflage. R. Oldenbourg Verlag, München/ Wien 2013, ISBN 978-3-486-70888-2 .
M. Seitz: Speicherprogrammierbare Steuerungen. System- und Programmentwurf für die Fabrik- und Prozessautomatisierung, vertikale Integration. Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag, Leipzig/ München 2012.
G. Wellenreuther, D. Zastrow: Automatisieren mit SPS – Theorie und Praxis. Programmieren mit STEP 7 und CoDeSys, Entwurfsverfahren, Bausteinbibliotheken; Beispiele für Steuerungen, Regelungen, Antriebe und Sicherheit; Kommunikation über AS-i-Bus, PROFIBUS, PROFINET, Ethernet-TCP/IP, OPC, WLAN. 6. Auflage. Springer Vieweg, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-8348-2597-1 .
H.-J. Zander : Steuerung ereignisdiskreter Prozesse. Neuartige Methoden zur Prozessbeschreibung und zum Entwurf von Steuerungsalgorithmen. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-01381-3 .

Weblinks

Commons : Regelungs- und Steuerungstechnik (Control engineering) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

↑ ^a ^b H.-J. Zander : Steuerung ereignisdiskreter Prozesse. Neuartige Methoden zur Prozessbeschreibung und zum Entwurf von Steuerungsalgorithmen. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-01381-3 .
↑ G. Wellenreuther, D. Zastrow: Steuerungstechnik mit SPS. Vieweg Verlag, Wiesbaden 1995.
↑ H.-J. Zander: Steuerungs- und Regelungseinrichtungen. In: H. Töpfer (Hrsg.): Automatisierungstechnik aus Herstellersicht. Fa. Bürkert Steuer- und Regeltechnik, Ingelfingen 1996, ISBN 3-00-000666-4 .
↑ J. Lunze : Automatisierungstechnik. 3. Auflage. R. Oldenbourg Verlag, München/ Wien 2012, ISBN 978-3-486-71266-7 , S. 442.
↑ R. Langmann (Hrsg.): Taschenbuch der Automatisierung. Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag, Leipzig/ München 2004, S. 172–176.
↑ L. Litz : Grundlagen der Automatisierungstechnik. Regelungssysteme - Steuerungssysteme - Hybride Systeme. 2. Auflage. Oldenbourg Verlag, München/ Wien 2013, ISBN 978-3-486-70888-2 , S. 179.
↑ T. Heimbold : Einführung in die Automatisierungstechnik. Automatisierungssysteme, Komponenten, Projektierung und Planung. Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag, Leipzig/ München 2015, ISBN 978-3-446-42675-7 , S. 27–30.
↑ G. Wellenreuther, D. Zastrow: Steuerungstechnik mit SPS. Vieweg Verlag, Wiesbaden 1995.
↑ J. Bergmann: Lehr- und Übungsbuch Automatisierungs- und Prozessleittechnik. Eine Einführung für Ingenieure und Betriebswirtschaftler. Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag, Leipzig/ München 1999.
↑ H.-J. Zander: Steuerung ereignisdiskreter Prozesse. Neuartige Methoden zur Prozessbeschreibung und zum Entwurf von Steuerungsalgorithmen. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-01381-3 , S. 38–43 und S. 185–192.
↑ H.-J. Zander: Entwurf von Ablaufsteuerungen für ereignisdiskrete Prozesse auf der Basis geeigneter Steuerstreckenmodelle. In: Automatisierungstechnik. München. Jg. 53, H. 3, 2005, S. 140–149.
↑ H.-J. Zander: Eine Methode zum prozessmodellbasierten Entwurf von Steueralgorithmen für parallele ereignisdiskrete Prozesse. In: Automatisierungstechnik. München. Jg. 55, H. 11, 2007, S. 580–593.
↑ H.-J. Zander: Steuerung ereignisdiskreter Prozesse. Neuartige Methoden zur Prozessbeschreibung und zum Entwurf von Steuerungsalgorithmen. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-01381-3 , S. 177–278.

[zan-1] H.-J. Zander : Steuerung ereignisdiskreter Prozesse. Neuartige Methoden zur Prozessbeschreibung und zum Entwurf von Steuerungsalgorithmen. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-01381-3 .

[2] G. Wellenreuther, D. Zastrow: Steuerungstechnik mit SPS. Vieweg Verlag, Wiesbaden 1995.

[3] H.-J. Zander: Steuerungs- und Regelungseinrichtungen. In: H. Töpfer (Hrsg.): Automatisierungstechnik aus Herstellersicht. Fa. Bürkert Steuer- und Regeltechnik, Ingelfingen 1996, ISBN 3-00-000666-4 .

[4] J. Lunze : Automatisierungstechnik. 3. Auflage. R. Oldenbourg Verlag, München/ Wien 2012, ISBN 978-3-486-71266-7 , S. 442.

[5] R. Langmann (Hrsg.): Taschenbuch der Automatisierung. Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag, Leipzig/ München 2004, S. 172–176.

[6] L. Litz : Grundlagen der Automatisierungstechnik. Regelungssysteme - Steuerungssysteme - Hybride Systeme. 2. Auflage. Oldenbourg Verlag, München/ Wien 2013, ISBN 978-3-486-70888-2 , S. 179.

[7] T. Heimbold : Einführung in die Automatisierungstechnik. Automatisierungssysteme, Komponenten, Projektierung und Planung. Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag, Leipzig/ München 2015, ISBN 978-3-446-42675-7 , S. 27–30.

[8] G. Wellenreuther, D. Zastrow: Steuerungstechnik mit SPS. Vieweg Verlag, Wiesbaden 1995.

[9] J. Bergmann: Lehr- und Übungsbuch Automatisierungs- und Prozessleittechnik. Eine Einführung für Ingenieure und Betriebswirtschaftler. Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag, Leipzig/ München 1999.

[10] H.-J. Zander: Steuerung ereignisdiskreter Prozesse. Neuartige Methoden zur Prozessbeschreibung und zum Entwurf von Steuerungsalgorithmen. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-01381-3 , S. 38–43 und S. 185–192.

[11] H.-J. Zander: Entwurf von Ablaufsteuerungen für ereignisdiskrete Prozesse auf der Basis geeigneter Steuerstreckenmodelle. In: Automatisierungstechnik. München. Jg. 53, H. 3, 2005, S. 140–149.

[12] H.-J. Zander: Eine Methode zum prozessmodellbasierten Entwurf von Steueralgorithmen für parallele ereignisdiskrete Prozesse. In: Automatisierungstechnik. München. Jg. 55, H. 11, 2007, S. 580–593.

[13] H.-J. Zander: Steuerung ereignisdiskreter Prozesse. Neuartige Methoden zur Prozessbeschreibung und zum Entwurf von Steuerungsalgorithmen. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-01381-3 , S. 177–278.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]