Steuerungstechnik (Grundlagen)

Grundbegriffe der Steuerungstechnik

Steuerungstechnik umfasst alle Techniken, mit Hilfe derer es möglich ist, Prozesse zu beeinflussen. In der Steuerungstechnik beschäftigen wir uns mit den Abläufen von Unter einem Technischen Prozess
verstehen wir den Transport von
→ Materie
→ Information und/oder
→ Energie
Technischen Prozessen
.

st1 (6K)

Was ist eine Steuerung?

Eine normgemäße Erklärung lautet unter Anderem:

Eine Steuerung verarbeitet Eingangssignale xe nach programmierten Gesetzmäßigkeiten und gibt das Ergebnis als Ausgangssignale xa wieder aus.

st2 (8K)

Daraus kann der folgende mathematische Ausdruck gebastelt werden.

st3 (1K)

Was dann kurz heißt: Die Ausgangsgrößen sind eine Die Ausgangsgrößen hängen via Programm von den Eingangsgrößen ab.
Funktion
.der Eingangsgrößen.

Blockschaltbild einer Steuerung

st5 (13K)

Ein Energie- oder Massenströme technischer Prozess muss gesteuert werden. Es werden also Signale aus dem Prozeß zu gegebener Zeit ausgewertet und Vorgänge im Prozeß eingeleitet.

Ein automatischer Arbeitsablauf erfordert, dass physikalische Größen gemessen und eventuell konstant gehalten werden. Die Abläufe während des Prozesses werden gesteuert. Daraus ergeben sich für ein Steuerungssystem folgende Aufgaben:

  1. Erfassung von Prozesszuständen
  2. Verarbeitung der Prozesszustandsdaten
  3. Beeinflussung des Prozesses aufgrund der Verarbeitungsergebnisse

Die Erzeugung, Verarbeitung und Umsetzung von Signalen ist Aufgabe einer Steuerung.

Nach der Art der Signalverarbeitung unterscheiden wir:

  1. Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS = elektrisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektronisch verbundene Funktionsglieder)
  2. Festprogrammierte Steuerung (keine Programmänderung möglich)
  3. Umprogrammierbare Steuerung (umstecken von Leitung, tauschen von Steckkarten)
  4. Speicherprogrammierbare Steuerung (in Symbolform speicher- und änderbar)
  5. Freiprogrammierbare Steuerung (Der Programmspeicher ist ein Schreib-Lese-Speicher, dessen Inhalt ohne mechanische Hilfe verändert werden kann)

st18 (15K)

Signalformen

Wir unterscheiden folgende Signalformen:

Analoges Signal Digitales Signal

Analog ist ein Signal (eine Information), wenn es innerhalb eines Wertebereichs jeden beliebigen Wert annehmen kann.

st9 (8K)

Digital ist ein Signal, wenn das Informationsparameter IP innerhalb eines Wertebereichs ein ganzzahliges Vielfaches der Grundeinheit E annehmen kann.

st11 (4K)

Diskretes Signal Binäres Signal
Diskret ist ein Signal, wenn wenn IP verschiedene, aber voneinander unabhängige Werte, innerhalb eines Wertebereichs annehmen kann.

st10 (5K)

Ein Binärsignal ist ein einparametriges digitales Signal mit nur zwei Wertebereichen eines Informationsparameters.
Es handelt sich also um ein Signal mit zwei Informationen, z.B. [ Ein|Aus ] , [ Ja|Nein ], [ 0|1 ] oder [ High|Low ]

st14 (2K)

Wie wird ein Signal binär?

Signalzustände 0 und 1
Signalhub (rote Linie) zwischen den Zuständen:
"logisch 0" und "logisch 1".
Informationen werden in Form von elektrischen Signalen in der Prozessorik verarbeitet. Wir betrachten im Bild die Signalspannung US. Sie ist als rote Linie gezeichnet.

Die Spannung im Bereich von 0,5*US bis US wird als logische 1 bezeichnet. Ist die Spannung dagegen praktisch Null ("GND" Ground = Masse), bedeutet das eine logische 0.

auf welche Weise mehr Information in aus zwei Werten bestehend binärer Form verarbeitet werden können, zeigt der Abschnitt 6 "Codierung von Information".

Die Signalkette oder das EVA-Prinzip

Eine Steuerung wird als Signalkette beschrieben.

In einer Steuerung wird ein Signal ...
eingegeben,verarbeitet und wieder ausgegeben.
Siganlkette (17K)
Signalgeber (Sensoren)Logik (Prozess)Steller (Aktoren)
Dementsrechend gibt es in der Steuerungstechnik drei Technik-Felder
SensorikProzessorikAktorik

Die Signalkette im Einzelnen

Für die Energieversorgung einer Steuerung (Signalkette) ergibt sich folgendes Bild:

Signaleingabe (Sensorik)

Taster, Schalter und elektronische Sensoren liefern Binäre Eingangssignale.

Fühler, Dehnungsmessstreifen oder optoelektronische Sensoren liefern Analoge Eingangssignale.

Wichtig ist die Möglichkeit, technisch unterschiedlich arbeitende Signalgeber durch entsprechende Maßnahmen auf die Steuerung anzupassen ( = Signalanpassung). Beispiele dafür sind:

  1. Druck-(luft-)schalter
  2. Temperaturschalter (Thermostat)
  3. Drehzahlschalter (Fliehkraftschalter)
  4. Signalgeber binär

  5. Analog-Digitalwandler
  6. Signalgeber digital

Signalverarbeitung (Prozessorik)

In der Prozessorik werden die eingehenden Signale

  1. gespeichert,
  2. logisch verknüpft,
  3. oder über Zeitfunktionen als verbindungs- oder speicherprogrammierteprogrammierte Ausgangsfunktionen
in Ausgangssignale umgewandelt.

VPS_SPS (44K)

Ein Programm ist ein geplanter Weg, Ausgangsignale aus den verschiedenen Eingangszuständen zu gewinnen.

Dies kann SPSsoft- oder VPShardewaremäßig erfolgen.

Signalausgabe (Aktorik)

Die Ausgabe der Signale muss wieder dem Arbeitsmedium der Steuerung angepasst werden. Die Signale oder Daten können folgendermßen ausgeben werden

  1. Relais oder elektronische Schalter geben binäre Signale aus.
  2. Entweder werden die Signale analog verarbeitet, oder digital berechnet und dann in analoge Signale umgewandelt.
  3. Digital-Analog Wandler

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

Prinzip einer SPS

Das Herz einer SPS ist die CPU (Central Prozessing Unit oder Zentraleinheit). Sie birgt

  • das Betriebssystem
  • das Anwenderprogramm
  • den Datenspeicher

Die Ein- und Ausgabeebene ist je nach Anforderung und Hersteller verschieden ausgeführt. Z.B.:

  • Ein- und Ausgänge für 24VDC
  • Ein- und Ausgänge für 230VAC
  • Ein- und Ausgänge potentialfrei u.s.w.

SPS2.gif

Arten von Speichern

Grundsätzlich können, je nach Anwendungsfall, alle modernen Speichermedien verwendet werden. Im Wesentlichen werden aber

zur Datenspeicherung verwendet.

Arbeitsweise einer SPS

SPS03.gif

Während eine VPS die Verknüpfung der Signale parallel bearbeitet, liest eine SPS die Anweisungen zur Bearbeitung zeilenweise (=seriell) aus dem Programmspeicher aus.

Für das serielle Abarbeiten benötigt der Prozessor Zeit (Die Zykluszeit ist jene Zeit, die für den einmaligen Durchlauf des Programmspeichers benötigt wird.) Um keinen Eingang zu "vergessen", wird das Prozessabbild der Eingänge (PAE) vom Mikroprozessor verarbeitet.

Das Prozessabbild der Ausgänge (PAA) wird an die Peripherie der SPS, also an die Klemmen der SPS parallel ausgegeben.

Grundlagen der Programmierung

Begriffe

Sie sind in der IEC 61131-3 definiert.

Ressource Die SPS mit der CPU, in der das Anwenderprogramm läuft

Eine Resource besteht aus einer oder mehrerer Programm-Organisations-Einheiten

POE Man unterscheidet zwei Typen:
  1. die Funktion (Sie haben keinen speichernden Ausgang und müssen daher sofort im Programm weiter verarbeitet werden.)
  2. der Funktionsbaustein (Sie besitzen Ein- und Ausgangsparameter und können an beliebiger Stelle im Programm verknüpft werden. z.B. Zeitbausteine)

Aufbau einer POE

Eine POE besteht immer aus einem Deklarations- und einem Programmteil.

Deklaration einer Variablen

Sie wird vom System selbständig verwaltet und muss nicht vom Programmierer addressiert werden.

NameDatentyp
Zwischenergebnis:Byte;
Deklaration einer Variablen mit physikalischer Adresse

Sie wird vom Programmierer für die Kommunikation mit der Peripherie vorgesehen.

Namephysikalische AdresseDatentyp
StarttasteAT%I0.0.0.0.0:BOOL;
Programmteil aus Anweisungen mit den zuvor erstellten Deklarationen

AdresseOperationOperandKommentar
KennzeichenParameter
(firmenspezifisch)
003LD%I0.0.0.0.0Starttaste

Programmiersprachen

Die Art und Weise, wie eine SPS programmiert wird, kann in folgende Sprachen eingeteilt werden:
  1. KOP – Kontaktplan (in Anlehnung an Schütz-/Relaisschaltpläne)
  2. FUP – Funktionsplan (mit logischen Funktionsblöcken der Digitaltechnik)
  3. AWL – Anweisungsliste (CPU nahe Anweisungen)
  4. ST - Strukturierter Text (hochsprachenähnliche Programmiersprache)
  5. AS – Ablaufsprache (rafisch orientierte Programmiersprache für Schrittketten)

Digitaltechnik

Logische Operationen

Maschinen können mit Dualzahlen rechnen. Dazu benötigt man Schaltungen, die wir bereits in den Relaisschaltungen kennengelernt haben. Alle Schaltungen folgen den Gesetzen des elektrischen Stromkreises. In der Digitaltechnik wird die Symbolik ( = Darstellungweise) weiter vereinfacht.

Und - Funktion

Die Schaltung liefert eine Ausgangsspannung (für eine Relaisspule ...), wenn der Schalter S1 und der Schalter S2 geschlossen wird.

Kontaktplan für logisches UND and fupla bool für und
Der Kontaktplan (KOP) zeigt den Strompfad der angesteuerten Relaisspule: Der Funktionsplan (FUP) ist eigentlich rein symbolisch, allerdings gibt es tatsächlich Bauelemente, die diese Funktion beherrschen: Die Boole'sche Algebra ist bewußt an die mathematische Schreibweise angenähert. Es gibt in der Logik ebenfalls "Vorrangregeln". So entspricht der bekannten Rechenregel:
Punkt vor Strich die Regel Und vor Oder:
Die Darstellung der Wahrheitstabelle zeigt den logischen Signalzustand des Ausgangs (letzte Spalte) in Folge der Eingangszustände (ersten zwei Spalten):
Wahrheitstabelle
S1 S2 K1
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

Oder - Funktion

Die Schaltung liefert jetzt eine Ausgangsspannung, wenn der Schalter S1 oder wenn der Schalter S2 geschlossen wird.

KOP: FUP: Boole'sche Algebra:
 logisches oder im kop logisches oder im fup logisches oder in bool
 
Wahrheitstabelle:
S1 S2 K1
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

Umkehr - Funktion

Die Schaltung liefert dann eine Ausgangsspannung, wenn der Schalter S1 nicht betätigt wird. Die Schaltung wird meistens in Kombination mit einer anderen Grundschaltung verwendet. Sie wird auch als Negation bezeichnet.

KOP: FUP: Boolesche Algebra:
logische negation logische negation im fup logische negation in bool
 
Wahrheitstabelle:
S1 K1
0 1
1 0

Die klassiche Wechselschaltung als logisches Problem

Die Wechselschaltung besteht in der Sprache der Steuerungstechniker aus zwei Umschaltern ( = Wechselschalter) in Serie. Der Stromlaufplan führt die Funktion (hoffentlich) deutlich vor Augen:

Stromlaufplan Wechselschaltung

Die Logik kennt nur Öffner- und Schließer-Kontakte, die den Wechselschalter aber problemlos ersetzen können:

Wechselschaltung mit Ö + S

Nun kann nach allen "Regeln der Kunst" ( = Digitaltechnik) der Funktionsplan die boole'sche Algebra und die Wahrheitstabelle aufgestellt werden:

FUP: Boole'sche Algebra:  
Wechselschaltung fup Der Ausgang wird über zwei Bedingungen geschaltet:
  1. bool 1. Teil oder
  2. bool 2. Teil


Sie können mit einem logischen OR zusammengefasst werden:

Wahrheitstabelle
S1 S2 H1
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Die Wahrheitstabelle liefert ein interessantes Ergebnis. Der Ausgang führt dann eine Spannung, wenn sich die beiden Eingänge S1 und S2 unterscheiden. Ihr Status ( = Wert) entspricht sich nicht, deshalb spricht man von einer Antivalenz. Klingt doch gut, oder? Die Sache ist die: Für diese Funktion gibt es in der Digitaltechnik ein eigenes Symbol. Die Verknüpfung ( = Operation) heißt EXOR ( = Eklusiv Oder).

exor fup

Von der Kreuzschaltung zum BCD-Code

Wie unterscheidet sich die Kreuzschaltung von der Wechselschaltung oben? Es kommen beliebig viele Schalter dazu, wobei jeder die Möglichkeit der Auschaltung (oder Einschaltung) der Lampe H1 erhöht. Aber wie?

Sehen wir doch die Schalter als bit einer Dualzahl (siehe Funktionsplan oben). Damit ergeben sich für drei Schaltstellen 20 + 21 + 22 gleich 8 Möglichkeiten (mit Null), die Lampe abwechselnd ein- und auszuschalten.

Stellen wir die Wahrheitstabelle (rechts) so zusammen, dass sich immer ein bit ändert (das entspricht immer einem Schaltschritt), dann wird genau das abwechselnde Ein- und Ausschalten abgebildet:

Wahrheitstabelle
S1 S2 S3 H1
0 0 0 1
0 0 1 0
0 1 1 1
0 1 0 0
1 1 0 1
1 0 0 0
1 0 1 1
1 1 1 0

Für alle Zeilen in der Wahrheitstabelle, in denen H1 = 1 gilt, was jene Schalterstellung ist, bei der die Lampe leuchtet, ergibt sich der folgende boolesche Ausdruck:

Kreuzschaltung bool

Die Übersicht in der obigen Tabelle ist allerdings nicht gerade groß. Besser wäre es, dual richtig zu zählen und dann alle Möglichkeiten für den Ausgang zu prüfen. Die folgende Tabelle zeigt die richtige duale Zählweise anhand eines wichtigen Codes.

Der BCD - Code

Der Binary Coded Decimal - Code arbeitet mit 4 bit und ist ein Musterbeispiel der dualen Ordnung.

Die vier Bits (8 - 4 - 2 - 1) werden als Half-Byte bezeichnet.

Demnach besitzt ein Byte also acht Bit Breite. Mit vier Bits können insgesamt 16 Informationen ( = Hexadezimal- kurz HEX-Code) codiert werden.

Jedes weitere Bit verdoppelt den Informationsgehalt (1 - 2 - 4 - 8 - 16 - 32 - 64 - 128 - 256 ... sind alles Zweierpotenzen!).

8 4 2 1 DEZ HEX
0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 1 1
0 0 1 0 2 2
0 0 1 1 3 3
0 1 0 0 4 4
0 1 0 1 5 5
0 1 1 0 6 6
0 1 1 1 7 7
1 0 0 0 8 8
1 0 0 1 9 9
1 0 1 0 10 A
1 0 1 1 11 B
1 1 0 0 12 C
1 1 0 1 13 D
1 1 1 0 14 E
1 1 1 1 15 F
 

Codierung von Information

Das Dezimalsystem

Ausgangspunkt sind die Zahlensysteme. Wir verarbeiten gewöhnlich Informationen im Dezimalsystem. Das bedeutet unsere Zahlen setzen sich aus 10 möglichen Werten (0...9) und Stellen mit Zehnerpotenzen zusammen. Nehmen wir die Zahl 247 als Beispiel, kann sie folgendermaßen erklärt werden:

Stelle Wertigkeit Zehnerpotenz ergibt
Hunderter 2 . 102 = 200
Zehner 4 . 101 = 40
Einer 7 . 100 = 7
_______________________________________________________
Das ergibt die Summe von 247

Die Hauptrolle neben den Zahlenzeichen spielen die Stellen, also die Zehnerpotenzen mit den Hochzahlen "0" ( = Einerstelle) bis ...

Das Dualsystem

Maschinen arbeiten mit Informationen im Binärsystem. Das bedeutet ihre Zahlen setzen sich aus 2 möglichen Werten (0 und 1) und Stellen ( = bits, engl. binary digits) mit Zweierpotenzen zusammen. Nehmen wir die Zahl 1011001 als Beispiel, dann kann sie so erklärt werden:

bit Wertigkeit Zehnerpotenz ergibt
64-er 1 . 26 = 64
32-er 0 . 25 = 0
16-er 1 . 24 = 16
8-er 1 . 23 = 8
4-er 0 . 22 = 0
2-er 0 . 21 = 0
1-er 1 . 20 = 1
_______________________________________________________
Das ergibt die Summe von dezimal 89

Die für uns gängige Zahl "89" muss in einer Maschine durch sieben einzelne Datenleitungen dargestellt werden. Jede Leitung stellt dabei ein bit dar. Wird mit jeder Leitung eine Lampe angesteuert, kann man ein Leuchtenmuster betrachten, das ein genaues Abbild der Dualzahl zeigt.

Darstellung von 1011001

Dieses Muster, also die bit-Folge 1 0 1 1 0 0 1 entspricht dem binären Code der Dezimalzahl 89.

Umrechnung von Zahlensystemen

Wer will, kann hier mal Zahlensysteme ausprobieren:

Dezimal
Hexadezimal
Binär

Der ASCII-Code

American Standard Code of Information Interchange: