Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen Inhalt Automatisierungs-Computer Automatisierungs-Strukturen Automatisierungs-Hierarchien Verteilte Automatisierungssysteme Automatisierungsstrukturen mit Redundanz 1 Lernziele – Die unterschiedlichen Automatisierungscomputer kennen – Wissen, was das besondere an der Arbeitsweise einer SPS ist – Zwischen zentralen und dezentralen Strukturen unterscheiden können – Kombinationen von Automatisierungsstrukturen erkennen können – Automatisierungshierarchien und deren Anforderungen kennen – Verstehen, was dezentrale Automatisierungssysteme sind – Wissen, was die Grundstrukturen der Kommunikation sind – Zwischen einem offenem und einem geschlossenem Kommunikationssystem unterscheiden können – Wissen, was man unter Redundanz versteht – Arten von Hardware-Redundanz kennen und charakterisieren können – Erklären können, was Diversität ist 2 3 Aufgaben der Prozessautomatisierung 4 Aufgaben der Prozessautomatisierung Die wichtigsten Aufgaben der Prozessautomatisierung sind: Datenerfassung ? Messwerte werden in Rechner gebracht Auswertung der erfassten Messwerte (Mittelwerte, Kosten, ... ) Überwachung ? Protokolle, Prozessabbild, Störungserfassung Steuerung ? Binärer Eingriff aufgrund binärer Prozesssignale Regelung ? Prozessgröße wird auf vorgegebenen Wert gebracht und gehalten Führung ? Eingriff in den Prozess so, dass er in der gewünschten Weise abläuft Optimierung ? Eingriff in den Prozess so, dass er in optimaler Weise abläuft Arten von elektrischen Prozess-Signalen Ø analoge Prozess-Signale • amplitudenanalog • frequenzanalog • phasenanalog Ø binäre Prozess-Signale Schalterstellung Ø digitale Prozess-Signale n Bit--Wort Ø Prozess-Signale in Form von Impulsen Drehzahlgeber Ø Prozess-Signale in Form von Impulsflanken Zustandsübergang einer Prozessgröße 5 Arten von Aufgaben bezüglich der Prozess-Signale Ø Ein- und Ausgaben analoger Prozess-Signale • Umwandlung analoge Information in Dualzahl mit Analog-Digital-Umsetzer (ADU) • Umwandlung Dualzahl in analoge Information mit Digital-Analgo-Umsetzer (DAU) Ø Ein- und Ausgabe digitaler Prozess-Signale (inklusive binärer Prozess-Signale) Ø Ein- und Ausgabe impulsförmiger Prozess-Signale Umsetzung analoger Prozessgrößen wichtig: zur Darstellung analoger Prozessgrößen reicht eine Wortlänge von 16 Bit aus 6 Darstellung einer analogen Prozessgröße als Festpunkt-Dualzahl von 16 Bit wichtig: Für die Darstellung digitaler Prozessgrößen reicht reicht eine Wortlänge von 16 Bit in aller Regel aus Beispiel für die Darstellung von 5 Kontaktstellungen in einem 8-Bit-Wort wichtig: Für die Darstellung binärer Prozessgrössen und impulsförmiger Prozessgrössen reicht eine Wortlänge von 16 Bit im allgemeinen völlig aus Frage: Warum brauchen wir denn 32 Bit Rechner für Automatisierungsaufgaben ðGrösserer Adressraum ðHöhere Rechengeschwindigkeit 7 Automatisierungs-Computer Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Mikrocontroller Industrie- PC Prozessleitsysteme Ausgangssituation (1) • SPS seit 1972 • Von Bauteilen und Technologien geprägt • Abhängig von der Aufgabe • Einzug der SW Zunahme der Funktionalität und Leistungsfähigkeit von speicherprogrammierbaren Steuerungen 1980 : 2 kByte 1990 : 20 kByte 2000 : 2000 kByte 8 Ausgangssituation (2) • Zielgruppen • Anwender ohne Informatikstudium • „Elektriker“ • Zielsetzung für den SPS-Einsatz •Schütze/Relais ablösen • Zuverlässigkeit erhöhen • Kosten reduzieren • Zielsetzung für die SPS-Sprachen • Funktionen in bekannten Darstellungen beschreiben • Kontaktplan (abgeleitet aus dem Stromlaufplan) • Funktionsplan (abgeleitet aus dem Logikplan) ðStandardisierung der Entwicklung von SPS-Systemen • IEC 1131 • DIN EN 611131 9 10 Eigenschaften Blockschaltbild der Hardwarestruktur einer SPS 11 Zyklischer Betrieb beim Einsatz einer SPS Ablauf des zyklischen Programmbetriebes bei einer SPS 12 Eigenschaften von SPS Vorteil: einfache Programmierung durch zyklische Betriebsweise Nachteil: Reaktionszeit auf Ereignisse im technischen Prozess maximal zwei Programm-Zyklen Programmabarbeitungszeit: • Zykluszeit nicht konstant • 1 ms pro 1000 Anweisungen Arten von SPS 13 Aufbau einer modularen SPS Innerer Aufbau einer modularen SPS 14 Mikrocontroller (Ein-Chip-Computer) • Hochintegrierte Bausteine • Einsatz für Massenprodukte • Aufbau aus • Standard-Mikroprozessor • Datenspeicher/ Programmspeicher • Bus-Schnittstellen • Prozess-Signal-Schnittstellen • Programmierung Entwicklungssysteme • Kurze Wortlänge • Extrem niedriger Preis Beginnend bei 1 - 10 € • hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer • hohe Anforderungen bezüglich Umgebungsbedingungen Temperatur, Feuchtigkeit SPS-Programmierung (1) Überblick über SPS-Programmiersprachen 15 SPS-Programmierung (2) SPS Funktionen SPS-Programmierung (3) Programm in Ablaufsprache nach IEC 1131 16 Einsatzgebiete als Serien- oder Massenprodukt Produktautomatisierung Haushaltsgeräte Unterhaltungselektronik Kfz-Elektronik Unterscheidung Ø Mikroprozessor Prozessor auf einem Mikroelektronik-Chip Ø Mikrocomputer Alle Komponenten auf einem Mikroelektronik-Chip, d.h Prozessor, Speicher, Schnittstellen zur Peripherie Ø Mikrocontroller Automatisierungs-Computer bzw. ein AutomatisierungsComputersystem auf einem Chip 17 Weltweiter Mikrocontroller-Markt Weltweiter Mikrocontroller-Markt 18 Entwicklungssystem Stecker Produkt Sockel des Mikrocontrollers, der in das Produkt eingebaut wird Herausgenommener Mikrocontrollerbaustein Anwendung eines in-Circuit Emulators Vereinfachtes Blockbild des Mikrocontrollers 80C167 8 Kanäle 19 Vereinfachtes Blockbild des Mikroprozessors 80186 Prinzip des Mikrocomputers 20 Begriffe CPU CPU == Central Central Processing Processing CPU CPU RAM RAM == Random Random Access Access Memory Memory EPROM/PROM/ROM EPROM/PROM/ROM == Erasable Erasable programmable programmable Read Read Only Only Read Read Only Only Memory Memory I/O I/O == parallele parallele bzw. bzw. serielle serielle Ein/Ausgabe-Bausteine Ein/Ausgabe-Bausteine Counter/Timer Counter/Timer == Taktgeber Taktgeber Interrupt Interrupt Controller Controller == Unterbrechungswerk Unterbrechungswerk Mikroprozessor Arbeitsspeicher Festwertspeicher Prozess- und Datenperipherie Festwertspeicher 21 Mikrorechner mit RAM Industrie-PC (IPC) • einsteckbare Leiterplatten zum Anschluss von • elektrischen Prozess-Signalen • optischen Prozess-Signalen • Bussystemen • Programmierung in Hochsprache • Einsatz von Echtzeit-BS • als einziges Betriebssystem • zusätzlich zu Standard-Betriebssystemen Einsatzgebiete von Industrie-PCs • Prozess-Visualisierung • Prozessauswertung und –überwachung • übergeordnete Steuerungsaufgaben (Leitstandsaufgaben) 22 (Eigenschaften) Umgebungsbedingungen • Rauhe Umgebungsbedingungen • Temperaturschwankungen • Stöße und Erschütterungen • Staub und Feuchtigkeit • elektrische oder elektromagnetische Störungen • Schutzvorrichtungen von Industrie-PCs (IPC) • schwingungsgedämpfte Laufwerke • hohe Güte der integrierten Bausteine • spezielles Schutzgehäuse Schutzart von Industrie-PCs mit IP-Index 23 Reine IPC-Lösung Vorteile einer reinen IPC-Lösung Client-Server-Prinzip 24 Anordnung eines reinen IPC-Systems Anordnung eines SPS- IPC-Systems 25 Prozessleitsysteme (PLS) Komplettlösungen von einem Hersteller Anwendungsgebiete von Prozessleitsystemen Bestandteile eines PLS 26 Schematischer Aufbau Typische Bestandteile eines Prozessleitsystems (PLS) 27 Anzeige- und Bedienkomponente Prozessnahe Komponente 28 Systemkommunikation Engineering-Tool 29 Leitsystemhersteller und deren Produkte Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 30 Struktur des technischen Prozesses Örtliche Struktur der Automatisierungsgeräte Wirkungsmäßige Struktur des Automatisierungssystems (funktionelle Struktur) Örtlich zentrale Anordnung der Automatisierungsgeräte 31 Örtlich dezentrale Anordnung der Automatisierungsgeräte Wirkungsmäßig zentrale Automatisierungsstruktur 32 Wirkungsmäßig dezentrale Automatisierungsstruktur Unterschiedliche Kombination der Automatisierungsstrukturen 33 Vergleichskriterien für Automatisierungsstrukturen Vergleich der Anschaffungskosten 34 Vergleich der Zuverlässigkeit des Betriebes Dezentrale Struktur 35 Bewertung von Automatisierungsstrukturen Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 36 Durch Einführung einer Hierarchie von Automatisierungseinheiten Kombination von wirkungsmäßig zentraler und dezentraler Struktur erreicht. Dadurch abgestufte Leistungsfähigkeit der einzelnen Ebenen, Flexibilität und Anpaßbarkeit. Gliederung der Informationsverarbeitungsaufgaben in übereinanderliegende Ebenen. Dadurch weitgehende Entkopplung der Verarbeitungsaufgaben innerhalb einer Ebene. Kombination von zentraler und dezentraler Struktur Horizontale Entkopplung, Gegenseitige Vermaschung nur auf höherer Ebene Dadurch Aufrechterhaltung der Transparenz einer dezentralen Automatisierungsstruktur und hohe Teilverfügbarkeit auch bei Ausfällen 37 Zuordnung von Automatisierungsfunktionen zu den Prozessführungsebenen Anforderungen an Verfügbarkeit und Verarbeitungsleistung 38 Voraussetzung für die Realisierung Ebenenmodell bei der Führung technischer Prozesse 39 Beispiel Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 40 Zielsetzung bei verteilten Automatisierungssystemen Realisierung bei verteilten Automatisierungssystemen keine Hierarchie Unterschied zu Automatisierungs-Hierarchie 41 Kriterien für die Wahl eines Kommunikationssystems (1) Kriterien für die Wahl eines Kommunikationssystems (2) Bsp.: hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit durch redundantes Bus-System bedeutet hohe Verkabelungskosten 42 Grundstrukturen der Kommunikation Eigenschaften Stern-Struktur Ring-Struktur Netz-Struktur Bus-Struktur 43 Parallele Busse Distanz: bis 20 m Serielle Busse Distanz: 20 m bis 15 km Arten von Kommunikationssystemen 44 Aufgaben der ISO/OSI- Schichten Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 45 Formen der Redundanz Ziel beim Einsatz fehlertoleranter Strukturen Stufen der Fehlertoleranz 46 Prinzip der Fehlertoleranz Arten von Redundanz Hardware-Redundanz 47 Doppelrechner-Struktur mit statischer Redundanz Doppelrechner-Struktur mit dynamisch blinder Redundanz 48 Doppelrechner-Struktur mit dynamisch funktionsbeteiligter Redundanz Drei-Rechner-Struktur mit statischer Redundanz 49 Software-Redundanz Diversitäre Software Einsatz bzw. Ausführung diversitärer Software-Teile 50 51 52 53 54