Intelligenzbausteine in der Automatisierungstechnik

Aus HSHL Mechatronik
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Die Automatisierungstechnik hat einen massiven Beitrag zum Fortschritt der Menschheit geleistet. Sie steigert die Produktivität, erleichtert die Arbeit, erhöht die Sicherheit und erhöht den Komfort. Jedoch ist sie undenkbar ohne das Vorhandensein von den intelligenten Bausteinen.

Diese Bausteine sind vielfältig und haben sich im Laufe der Zeit immer weiterentwickelt. So wurde früher vor allem verbindungsprogrammiert gesteuert (VPS), diese Steuerung ist allerdings stark von der speicherprogrammierten Steuerung (SPS) verdrängt worden. Programmierintensivere Steuerungen können über Mikrocontroller und Industrie-PCs realisiert werden.

Verbindungsprogrammierte Steuerung

Verbindungsprogrammierte Steuerungen werden zumeist mit Relais, Schützen oder anderen Bausteinen realisiert. Die Verbindung liegt als feste Verdrahtung der Hardware vor. Einsatzgebiete sind vor allem sicherheitskritische Anwendungen.

Die verbindungsprogrammierte Steuerung wird unterschieden in festprogrammierte Steuerungen, bei denen keine Programmänderungen vorgesehen sind, und umprogrammierbare Steuerungen. Bei diesen ist durch mechanisches Eingreifen (z.B. ein Umstecken von Leitungen) eine Programmänderung möglich. Jedoch ist dieses unter Umständen aufwendig und macht die VPS somit unflexibel. VPS können elektrische Energie ebenso als Signalmedium nutzen wie Druckluft oder Drucköl. Verbindungsprogrammierte Steuerungen verlieren allerdings immer mehr an Bedeutung.

Speicherprogrammierbare Steuerung

Die in den letzten Jahren immer dominanter gewordene programmierbare Steuerung ist die SPS. Diese arbeitet auf der Basis elektronischer Speicherbausteine. Über eine Steuerungssoftware wird die Steueraufgabe bestimmt. Da diese Form der Steuerung leicht umprogrammierbar ist, ist sie bedeutend flexibler als die VPS. Sie kann also gut in sicherheitsunkritischen Anwendungen zum Einsatz kommen. SPS verarbeiten vor allem binäre Signale.

Die Vorteile zur verbindungsprogrammierten Steuerung sind:

• Wenige Logikblöcke in der Software

• Wenig Verdrahtungsaufwand

• Flexibler durch Programmänderbarkeit

• Vereinfachte Fehlersuche

• Geringere Kosten

Hersteller einer Speicherprogrammierbaren Steuerung sind unter anderem Yokogawa, Siemens, Mitsubishi, Panasonic und Eaton.

Grundstruktur

Struktur SPS

Die Grundstruktur einer SPS besteht aus

• Ein- und Ausgabe-Baugruppen, die über die Sensoren und Aktoren die Verbindungen zum steuernden Prozess herstellen. Dabei gibt es analoge und binäre Ein- und Ausgänge sowie einen Zähler-Eingabe-Kanal und einen Impuls-Ausgabe-Kanal.

• Dem Steuerwerk, das die zyklische Programmabarbeitung steuert und das System initialisiert

• Dem ROM-Speicherbereich, der die festen Abschnitte des Betriebssystems enthält

• Dem RAM-Speicherbereich, der die Arbeitsbereiche des Betriebssystems und das Anwenderprogramm enthält

• Dem Prozessabbild, das die aktuellen Eingangs-/Ausgangssignale enthält

• Dem Merker, in dem Zwischenresultate abgelegt werden können.

• Der Schnittstelle (meist seriell), die die Kommunikation mit übergeordneten Systemen wie dem Programmiergerät oder dem Prozessleitrechner herstellt.

Es handelt sich bei der inneren Struktur der SPS also weitgehend einem Mikrorechnersystem mit Prozessperipherie. Wichtige Baugruppen dieser Prozessperipherie sind der Digital-Analog-Wandler und der Analog-Digital-Wandler.

Programmierung

Die Programmierung einer SPS folgt dem Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe-Prinzip (EVA).

Bei der Programmierung einer SPS wird ein für den Prozessor lesbares und verarbeitbares Programm im Speicher der Steuerung hinterlegt. Der Prozessor ist so aufgebaut, dass die Architektur für die Bit-, Byte- oder Wort-Verknüpfung optimiert ist. Bei Verknüpfungen verschiedener Steuerungen über Feldbus ist auf die Adressierung zu achten.

Die Programmierung geschieht über das Programmiergerät. Die bereitgestellt „Konfiguration“ wird beim Programmieren auf die Steuerung geladen und wird dort gespeichert, bis sie gelöscht oder überschrieben wird.

Speicherprogrammierbare Steuerungen werden mit speziellen Programmiersprachen programmiert. Diese können auch grafisch sein. In der Norm DIN EN 61131-3 sind fünf Programmiersprachen für die Programmierung von SPS spezifiziert. Es gibt aber auch die Möglichkeit speziell angepasster Hochsprachen. Diese erlauben die Programmierung hochkomplexer Abläufe in der Automatisierung. Eine SPS folgt den Regeln der strukturierten Programmierung. Das bedeutet, dass eine konsequente Nutzung der Bausteintechnik erforderlich ist. Die Vorteile der Bausteintechnik sind:

• Die Zerlegung der Gesamtaufgabe in Teilprobleme

• Die Möglichkeit, die Bausteine getrennt voneinander zu betrachten

• Die Möglichkeit der mehrfachen Verwendung einzelner Bausteine

Das Hauptprogramm wird dann verwendet, um die Bausteinabfolge zu definieren und diese logisch miteinander zu verknüpfen. Die Bausteine selbst können wiederum eigene Unterprogramme mit Teilproblemen enthalten. Die Datenbausteine enthalten für den Programmablauf wichtige Daten und Parameter.

Abgearbeitet werden die Bausteine zyklisch. Die SPS liest die Werte aller Eingänge am Anfang eines Zyklus ein, führt die gespeicherten Bausteine aus und setzt am Ende die Ausgänge. Dann startet der Zyklus erneut. Es gibt kein Programmende.

Mikrocontroller

Mikrocontroller im Auto

Ein Mikrocontroller ist im Grunde genommen ein Mikrorechner auf einem Halbleiter-Chip. Enthalten sind ein Prozessor, Arbeits- und Programmspeicher sowie Schnittstellen, die eine Kommunikation mit der Umgebung ermöglichen . Er nimmt Signale von Sensoren auf, wie Temperatur, Beschleunigung, Druck, Kontakt oder GPS-Position und wandelt sie in ein elektrisches Signal um. Damit werden dann Aktuatoren, wie Motoren oder Anzeigen angesteuert.

Prozessorkern, Speicher und Schnittstellen sind so ausgelegt, dass eine Steuerungs- oder Kommunikationsaufgabe mit möglichst wenigen Bausteinen lösbar ist. Da es viele verschiedene solcher Aufgaben gibt, gibt es auch eine Vielzahl verschiedener Mikrocontroller.

Beispiele für Hersteller sind Philips, Atmel, Intel, Infineon, Texas Instruments und National Instruments.

Ein Mikrocontroller weist folgende Eigenschaften auf:

• Er bearbeitet feste Programme für feste Anwendungen

• Die Programmspeicher sind Festwertspeicher (PROM, ROM, EPROM, EEPROM, Flash)

• Die Integration vieler Komponenten auf einem Chip ermöglicht kleine Architekturen

• Die geringe Anzahl externer (fehleranfälliger Komponenten) erhöht die Betriebssicherheit

Anwendungsgebiete sind ebenso vielfältig wie Controller, von der Industrie über Automobilanwendungen hin zu Konsumelektronik.


Programmierung

Mikrocontroller werden vorwiegend in Assembler oder C programmiert. Es können aber auch andere Sprachen wie C++ verwendet werden. Die eingesetzte Programmiersprache hängt allerdings von der Architektur, dem Anwendungsziel und den Anwendungsanforderungen ab. Um den Entwicklungsaufwand für in kleinen Stückzahlen produzierten Controllern, wie 16- und 32-Bit-Architekturen, zu reduzieren, werden hier meistens Hochsprachen verwendet. Für 4- und 8-Bit-Architekturen wird Assembler verwendet, um eine hohe Effizienz und Code-Dichte zu gewährleisten. Mit der Programmiersprache C ist ein hardwarenahes Programmieren einfach.

Relativ neue Entwicklungswerkzeuge, wie LabVIEW von National Instruments, ermöglichen einen rein grafischen Entwurf der Software. So ist es möglich, ohne tiefgehende Programmierkenntnisse einen ausführbaren Code zu generieren.

Einige Mikrocontroller enthalten bereits einen Hochspracheninterpreter, sodass ein beliebiger Rechner mit serieller Schnittstelle und einem entsprechenden Terminalprogramm ausreicht, um eine Lösung zu programmieren

Industrie-PCs

Ein Industrie-PC (IPC) wird für Aufgaben im industriellen Bereich eingesetzt. Typische Einsatzgebiete sind die Prozessvisualisierung, die Robotik, Industrieautomation, Industrietest- und -prüfstände sowie die Qualitätssicherung. Ein Industrie-PC muss anderen Anforderungen genügen als Geräte für den Bürobereich. Deshalb ist er normalerweise robust und wenig störungsanfällig zum Beispiel für elektromagnetische Störungen aufgebaut. Die Programmierung geschieht wie bei einem Standard-PC.

Beispiele für Hersteller sind Siemens, Bosch Rexroth, Schneider Electric und GE.

Aufgrund des hohen Standardisierungsgrades, der hohen Flexibilität und des großen Angebots an Software und Anschlusskomponenten bei normalen Office-PCs entstand der Anspruch, diese Vorzüge auch im industriellen Bereich und der Automatisierung zu nutzen. Ein IPC ist dabei nicht nur als Alternative zu SPS zu sehen, sondern ist mit SPS sowie mit anderen industriellen Steuerungen kombinierbar. Funktionen sind die Bedienung, die Programmierung, die Visualisierung, die Langzeit-Archivierung und die Simulation von Prozessen.

Da die Steuerung von industriellen Maschinen keine Hochleistungsprozessoren benötigt, reicht eine niedrigere Performance als bei herkömmlichen PCs. Die Konstruktion ist jedoch aufwändiger, die Materialen aufgrund spezieller Anforderungen, wie einem erweiterten Temperaturbereich hochwertiger. Außerdem müssen im Gegensatz zu einem Office-PC viele Zulassungen, Richtlinien und Normen erfüllt sein.

Um die Ausführungsform eines IPC variabel zu halten, werden sie häufig modular produziert. Das konventionelle Mother Board wird dabei durch eine Busplatine und eine Slot-CPU ersetzt. So kann auch eine Vielzahl an Erweiterungskarten zur Ansteuerung der Peripheriegeräte ermöglicht werden. Im Gegensatz zu etwa vier bis sechs Steckplätzen bei Standard-PCs, können bei IPCs über Bridges mehr als zehn solcher Steckplätze genutzt werden.

Die Slot-CPU enthält alle Komponenten des Mother Boards, wie ein Prozessorsockel, ein Steckplatz für den Arbeitsspeicher, Anschlüsse für Festplatten und ein Netzwerk-Controller. Die Bus-Platine erweitert diese Slot-CPU. Sie enthält etwa 20 Steckplätze und hier werden die Busse ausgeführt.

Kommunikation über Feldbus

Eine Kommunikation der Intelligenzbaustein miteinander und Sensoren und Aktoren ist über einen Feldbus möglich.

Ein Feldbus ist eine Verbindung von Steuer- und Automatisierungsgeräten. Es kann noch eine zusätzliche Unterteilung in Feldbus und Sensor/Aktorbus geschehen, da für eine Systemregelung oft mehrere Sensoren und Aktoren nötig sind. Diese Sensoren und Aktoren können mit dem Regelungsgerät, wie einer SPS oder einem PC, parallel oder seriell verdrahtet werden. Der Verdrahtungsaufwand steigt dabei mit zunehmender Automatisierung. Der Feldbus ersetzt die parallelen Leitungsbündel durch ein Buskabel. Anstatt mehrerer I/O-Karten kommt eine Bus-Interface-Karte zum Einsatz.

BildFeldbus.png


Eigenschaften von Feldbussen sind:

• Kostengünstige Verdrahtung über große Entfernung

• Hinzuschalten von zusätzlichen Teilnehmern während des laufenden Betriebs

• Echtzeitverhalten

• Störstrahlungsunempfindlichkeit

• Besondere Übertragungs- und Steuerungssicherheit

Quellen

Günther Strohrmann: Automatisierung verfahrenstechnischer Prozesse. Eine Einführung für Techniker und Ingenieure, Oldenbourg-Industrieverlag, 2002

Cihat Karaali: Grundlagen Der Steuerungstechnik: Einführung Mit Übungen, Vieweg und Teubner Verlag, 2010

Tim Bahlo: Untersuchung des Einsatzes von Multiagentensystemen für die Steuerung des Materialflusses in der innerbetrieblichen Logistik, Diplomarbeiten Agentur, 2007

Khalid-Alexander Sabbah: Methodische Entwicklung störungstoleranter Steuerungen, Herbert Utz Verlag, 2000

Werner Roddeck: Einführung in Die Mechatronik, Springer Verlag, 2006

Wolfgang Weller: Automatisierungstechnik im Wandel der Zeit: Entwicklungsgeschichte eines faszinierenden Fachgebiets, epubli, 2013

Festo Didactic GmbH & Co. KG (Hrsg.): Grundlagen der Automatisierungstechnik. Fachbuch, 2008

W. Klöden: Skript zur Lehrveranstaltung „Grundlagen der Automatisierungstechnik“, Universität Dresden, 2006

Hans-Jürgen Gevatter: Automatisierungstechnik 2: Geräte, Springer Verlag, 2000

Uwe Brinkschulte, Theo Ungerer: Mikrocontroller und Mikroprozessoren, Springer Verlag, 2002

Herbert Bernstein: Mikrocontrollerprogrammierung in Assembler und C: für die Mikrocontroller der 8051-Familie - Simulation unter Multisim, Hüthig Jehle Rehm, 2013

Helmut Bähring: Mikrorechner-Technik, Band 2, Springer Verlag, 2002

Friedrich Wittgruber: Digitale Schnittstellen und Bussysteme: Einführung für das technische Studium, Springer Verlag, 2002

Weblinks

http://de.wikipedia.org/wiki/Automatisierungstechnik

http://de.wikipedia.org/wiki/Speicherprogrammierbare_Steuerung

http://www.directindustry.de/industrie-hersteller/sps-60974-_2.html

http://de.wikipedia.org/wiki/Mikrocontroller

http://de.wikibooks.org/wiki/Mikrocontroller/_Einleitung_und_Grundlagen

http://de.wikipedia.org/wiki/Industrie-PC

http://www.directindustry.de/industrie-hersteller/industrie-pc-83714.html

http://de.wikipedia.org/wiki/Feldbus