Kontrolteknologi

Kontrolteknik omfatter design og implementering af kontroller , det vil sige den styrede påvirkning af tekniske systems adfærd ( enheder , apparater , maskiner , anlæg og biologiske systemer ). Ligesom kontrolteknologi er det et underområde inden for automatiseringsteknologi . Kontrollerne er opdelt i binære , analoge og digitale kontroller.

I binære kontroller er input- og outputvariablerne for styreenhederne binære . Systemet, der skal styres (kontrolsti) påvirkes af de binære outputvariabler i styresystemet ved hjælp af aktuatorerne . Eksempler på aktuatorer er et lys , en ventil eller en motor . De binære indgangsvariabler for styringen er betjeningssignaler fra mennesker og tilbagemeldingssignaler fra sensorer i kontrolledningen, f.eks. Kontaktposition (tænd / sluk), ventilposition (åben / lukket) eller motorens bevægelsestilstand ( roterende / stående). For eksempel styres belysning , en vandgennemstrømning eller køretøjets bevægelse.

I tilfælde af binære kontroller skelnes der mellem logik og sekvensstyring . Ved sekvensstyring rapporteres relevante værdier for kontrolvariablerne tilbage til kontrolindgangen ved hjælp af sensorer. Hvis der på den anden side ikke er nogen feedback, taler man om logiske kontroller , hvis driftsmåde er binær eller flerværdi.

Informationsbehandling i komplekse binære kontroller er kendetegnet ved de logiske forbindelser mellem de indgangssignaler, der er indeholdt i kontrolprogrammet (inklusive de signaler, der rapporteres tilbage fra sensorerne). Binære kontroller kan derfor beskrives og beregnes ved hjælp af binær matematik. ^[1]

I analoge kontroller er input- og output -variablerne på styreenheden analoge signaler ; disse kontroller har ingen feedback. Et eksempel på en analog kontrol er den konstante ændring af en håndtagsposition, når man drejer en knastplade, som armen er påført. Analoge kontroller kan beskrives som lukket kredsløbskontrol ved hjælp af differentialligninger.

En controller kaldes en digital controller, hvis den behandler digitale signaler . Digitale signaler er multi-bit signaler, hvis individuelle bits er en del af en kodet informationsrepræsentation. For at behandle digitale signaler kræves kontrolkommandoer med byte- eller ordoperander, såkaldte ordinstruktioner. ^[2]

I dag er de fleste af kontrollerne binære eller digitale , hvorved sekvensstyringerne dominerer langt (flere kontrolvariabler påvirkes efter hinanden). Du har flere eller endda mange indgange og udgange. Ud over startsignalet såvel som andre styresignaler stammer indgangssignalerne ikke fra operatøren, men fra kontrolsporet og er udstyret med sensorer, der er registreret og rapporteret tilbage (feedback) tilstande for kontrolvariablerne. Det respektive efterfølgende trin i processen udføres kun, når det foregående trin er blevet gennemført. Det betyder, at der er på hinanden følgende lukkede underkontrolsløjfer , som dog ikke skal forveksles med den ikke-opdelte lukkede kontrolsløjfe . Formålet er en teknisk "selvkorrektion" af den kontrollerede variabel, der finder sted i tilfælde af funktionsfejl. Kontrolelementer, der også er designet mod interferens, forårsager farlige værdier af kontrolvariablerne, som processen, der skal kontrolleres, overføres til en sikker tilstand eller slukkes. ^[1]

For at klare kompleksiteten af ​​moderne kontroller er der særlige metodiske hjælpemidler til deres design i form af forskellige teoretiske modeller og tilsvarende computerstøttede værktøjer . Sådanne værktøjer bruges også til simulering, planlægning, projektplanlægning, programmering og service (fejldiagnose, vedligeholdelse og reparation).

Styringsteknologiens historie

Perforeret tape -kontrol på en historisk jacquardvæv

Historiske rødder

Historiske eksempler

• Den græske opfinder Heron of Alexandria (ca. 20–62 e.Kr.) beskriver i sit værk "Automata" en dørkontrol, hvori templedøren åbnes ved at tænde en ild (kontinuerlig kontrol), også automatisk teater, der styres af sig selv, hvor afvikling af reb kunne udføre forskellige bevægelser. Han designede også en hellig vandmaskine, der doserede en lille mængde indviet vand efter at have indsat en mønt. Disse ideer er imidlertid blevet glemt i løbet af tiden og er ikke blevet videreudviklet.
• I begyndelsen af ​​1700 -tallet blev musikbokse styret af pin rollers. I midten af ​​1700-tallet blev vævemaskiner styret af kort i træ, som Joseph-Marie Jacquard forbedrede betydeligt i 1805 med et cirkulært perforeret bælte.

Tidsplan for komponenter og udstyr til styringsteknologi

• I 1835 opfandt Joseph Henry det elektromekaniske relæ.
• I 1947 blev transistoren opfundet i USA.
• 1954 blev den første numeriske kontrol med elektronrør produceret.
• I 1958 Siemens elektronisk byggesten systemet kommer til binære kontrol på markedet, som består af diskrete komponenter, såsom dioder, transistorer og modstande.
• 1969 Richard E. Morley opfinder den programmerbare logic controller (PLC) hos det amerikanske firma Modicon (type Modicon 084). Samtidig udviklede Odo J. Struger fra Østrig en tilsvarende PLC til det amerikanske firma Allen-Bradley .
• 1970'erne: Den programmerbare logiske controller (PLC) erstatter individuelt opbyggede elektroniske, pneumatiske og relæstyringer.
• I 1971 blev mikroprocessoren opfundet i USA. Siden 1975 har han i stigende grad trængt ind i PLC -teknologi og har løbende udvidet sin ydeevne og fleksibilitet til i dag.

Kontrolteknologi og industriel udvikling

Styringsteknologiens vigtige rolle i industriel udvikling er også tydelig i den tyske forbundsregerings og industris fremtidige Industry 4.0 -projekt , hvorved fire faser af den industrielle revolution skelnes:

• trin 1
  Begyndende i 1784 med anvendelse af mekaniske væve , som yderligere blev udviklet i vævemaskiner, navnlig gennem træ hulkort kontroller og senere kontroller med roterende bælter.
• Niveau 2
  Begyndende i 1870 med den første anvendelse af samlebånd i USA ( Cincinnati slagterier) ved hjælp af elektriske drev, der blev skiftet af passende kontaktor og relæ kontrol.
• niveau 3
  Fra 1969 med de første programmerbare logiske controllere fra det amerikanske firma Modicon (type Modicon 084, opfinder: Richard E. Morley ), der markerede et gennembrud inden for industriel elektronik og informationsteknologi til massekontrol og automatisering af produktionen.

• Niveau 4: Industri 4.0
  Begyndelsen af ​​2012 med udvikling og brug af såkaldte cyberfysiske systemer (CPS) med globalt netværk til global optimeret kontrol af internationalt organiseret produktion ( Internet of Things ). Denne trin-for-trin-overgang fra tredje til fjerde etape er blevet mere og mere tilgængelig for et bredere publikum siden 2013 med Hannover Messe .

Historik om standardisering af kontrolvilkår

Teorien om kontrolteknologi har hængt bag på kontrolteknologien den dag i dag, hvilket blandt andet afspejles i den utilstrækkelige standardisering og definition af relevante udtryk.

I mange år har DIN-standardisering differentieret mellem lukket kredsløb og åben kæde . Da der også er lukkede undercirkler inden for digital kontrolteknologi, blev kontrolsystemet omdefineret i 1994 i den tredje, aktuelt gyldige udgave af DIN 19226 ( regulerings- og kontrolteknologi , erstattet uændret af DIN-IEC 60050-351 siden 2002): “ Identifikation til styring er den åbne handlingsvej eller en lukket handlingsvej, hvor outputvariablerne påvirket af inputvariabler ikke virker kontinuerligt og ikke virker på sig selv igen via de samme inputvariabler ”. Underordnet klausul er afgørende ... outputvariablerne påvirket af inputvariabler virker ikke kontinuerligt og virker ikke på sig selv igen via de samme inputvariabler . Sammenligningen af åben eller lukket handlingssti (kontrol) til lukket kredsløb (kontrol) har bidraget mere til usikkerhed end til afklaring.

Programmeringsstandarder for programmerbare logiske controllere

I kontrolstandarden DIN 19237 er de forskellige typer programimplementering ved hjælp af forbindelsesprogrammerede og hukommelsesprogrammerbare kontroller allerede blevet klassificeret.

DIN 19239 -standarden: "Måling, kontrol, regulering - styringsteknologi - hukommelsesprogrammerede kontroller - programmering" blev oprettet af den tyske kommission for elektriske, elektroniske og informationsteknologier . Det første udkast blev offentliggjort i 1981 og erstattet af en frigivet version i 1983. DIN 19239 definerer tre programmeringssprog til kontroller:

• Instruktionsliste (STL),
• Stigediagram (LAD),
• Funktionsdiagram (FBD).

DIN 19239 blev trukket tilbage i 1994 og erstattet af en DIN baseret på den identiske europæiske standard DIN EN 61131-3 . Ud over de tre nævnte er to andre programmeringssprog inkluderet, så i alt fem:

• Sekventielt funktionsdiagram (SFC, sekventielt funktionsdiagram)
• Struktureret tekst (ST).

Den resulterende internationale standard IEC 61131-3 (også IEC 1131 eller 61131) er den eneste globalt gyldige standard for programmeringssprog til programmerbare logiske controllere.

Typen af ​​binære kontroller

I henhold til DIN 19226, 3. udgave 1994, del 1 eller DIN IEC 60050, del 351, er binær styring eller binær styring en proces i et system, der består af en styreenhed og en styrevej, hvor en eller flere procesvariabler i Kontrolsti, der omtales som styrevariabler, kan påvirkes af binære udgangsvariabler for styreenheden (også kaldet styresignaler) i overensstemmelse med en specificeret styringsalgoritme (kontrolprogram).

Signaler i binære kontrolsystemer

Input- og output -variablerne er binære signaler. Disse er mængder med diskrete værdier, hvis informationsparametre kun kan have to værdier, angivet med 0 og 1.

I tilfælde af binære indgangssignaler skal der skelnes mellem betjeningssignaler, der indtastes via betjeningsenheder såsom kontakter eller knapper, og binære målesignaler, der registreres af sensorer (såsom endestopkontakter eller lysbarrierer).

Ud fra de binære indgangssignaler fra styringsorganerne kan styrealgoritmen dannes ved logisk at kombinere udgangssignalerne fra binære styresignaler i overensstemmelse hermed, hvilke aktuatorer (også kaldet aktuatorer , f.eks. Relæafbryder, kontaktkontakt, magnetventil eller motor) til kontrolobjektet (teknologisk proces, kontrolsti) og derved ændre kontrolvariabler (output fra den teknologiske proces).

Kontrolvariablerne kan enten være variabler med diskret værdi (f.eks. Signaler til at tænde og slukke belysning ved hjælp af en vekslende eller krydsforbindelse) eller analog , dvs. værdi- og tidskontinuerlige variabler (f.eks. Temperatur, tryk, niveau, afstand, vinkel , Rotationshastighed).

Signalstrømmen i kontrolsystemer kan have to forskellige grundstrukturer:

• Åben kontrolkæde , hvorved sensorerne tager deres information (målesignaler) fra miljøet, men ikke fra den teknologiske proces (kontrolsti),

• Lukket styrekredsløb , hvorved sensorerne tager deres information (feedback: binære signaler) fra den teknologiske proces (sekvensstyring).

Kontroltyper

Kontrolsystem med visning af signaler, styretyper samt tilhørende betjening og programmering

• Link kontrol

• flowkontrol

Størstedelen af ​​alle former for kontrol i praktiske applikationer er sekvensstyringerne Her skelnes mellem processtyrede og tidskontrollerede sekvensstyringer.

Ud over "logik og sekvensstyring" er der også kontroller, hvor der ikke er inkluderet sensorsignaler (dvs. ingen feedback), og som kun behandler en tidsplan (tidsprogram) eller ruteplan (ruteprogram) via deres output og downstream -aktuatorerne :

• Tidsprogramstyring: hændelsesforløb i henhold til en bestemt tidsplan, f.eks. B. ved et enkelt lyskryds

• Ruteprogramstyring: hændelsesrekkefølge i henhold til en specificeret ruteplan, f.eks. B. i en kopifræser eller kopibænk.

Disse tidsplaner og ruteplankontroller udgør som åbne kontroller (programkontroller) en relativt lille andel af alle kontroltyper.

Nye tilgange til beskrivelsen af ​​de operationelle sekvenser af logik og sekvensstyring

Siden omkring 1995 har man i specialelitteraturen forsøgt at beskrive kontrol mere præcist, på den ene side at vise sit forhold til kontrollen tydeligere og på den anden side tydeligere at skelne de forskellige former for kontrol fra hinanden : 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 definitionen af ​​logiske kontroller noget mere præcis end DIN 19226, idet der skelnes mellem logiske kontroller med og uden lagringsadfærd.

Zander udviklede en ny måde at se på de operationelle sekvenser af sekvensstyringer, som blev udviklet på grundlag af en omfattende analyse af kontrollinjers struktur og adfærd. ^[10] For processerne i sekvensstyring introduceres udtrykket "hændelsesdiskret proces" som en mere præcis definition af det tidligere anvendte udtryk "diskontinuerlig proces". Det antages, at kontrolvariablerne i sekvenskontroller overvejende er analoge variabler, f.eks. B. Tryk, temperaturer, niveauer, afstande, vinkler, hastigheder. Et væsentligt træk ved denne fremgangsmåde er, at mens en diskret hændelsesproces kører, fungerer de binære styresignaler, der sendes ud af styreenheden, som trinfunktioner på de analoge kontrolvariabler, og at deres funktionsværdier ændres som følge af trinresponser i henhold til den respektive tidsadfærd. Så z. B. ændringen i niveauet, når en beholder fyldes på en I -adfærd. Tilsvarende tærskelværdier skal defineres for kontrolvariablerne. Hvis en kontrolvariabel når en tærskelværdi, der er angivet for det, sættes det binære styresignal, der forårsagede ændringen i kontrolvariablen, til værdien nul af styreenheden. Ifølge kontrolalgoritmen implementeret i styreenheden udsendes det næste styresignal, og processen med diskret hændelse fortsættes således. At nå en tærskelværdi for en kontrolvariabel kaldes en "hændelse". Dette forklarer navnet "Diskret hændelsesproces". En begivenhed er også til stede, når en operatørhandling udføres, eller der er gået et bestemt tidsrum i en timer. Når en hændelse opstår, initieres en ændring af operationen pr. Definition i en diskret hændelsesproces. Til dette formål rapporteres hændelserne til styreenheden ved hjælp af såkaldte hændelsessignaler. Hændelsessignaler er binære målesignaler, binære driftssignaler og binære udgangssignaler fra timingelementer.

På dette grundlag er sekvensstyringer , dvs. kontroller for processer med diskrete hændelser, defineret som følger (Zander):

En sekvensstyring er en proces, hvor et binært styresignal genereres af et hændelsessignal, der ankommer til styreenheden i henhold til den implementerede styringsalgoritme, og en trinfunktion derved udøves på en analog styrevariabel, således at denne styrevariabel udfører en trinrespons og dermed kører en operation, indtil der igen kommer et hændelsessignal relateret til det, hvilket har som konsekvens at afslutte det aktuelle trinrespons og aktivere yderligere trinfunktioner af styreenheden osv.

Sekvenskontroller er kendetegnet ved successive lukkede delcirkler (feedback) og overvejende analoge kontrolvariabler.

Eksempler på sekvensstyring:

• Vaskemaskinstyring: I en vaskemaskine startes og stoppes vandforsyningen, tilsætning af opvaskemiddel, varme og elektrisk motor til at flytte tromlen ved at styre oplysninger om vandstand, temperatur og tid i forbindelse med et valgt kontrolprogram på en sådan måde, at rent og centrifugeret eller tørt vasketøj skabes.
• Elevatorstyring
• Mediekontrol: lyd-, video- og lysstyring under et show.

I modsætning til sekvensstyring ændrer logiske kontroller ikke primært værdierne for analoge kontrolvariabler, men kun diskrete værdier (f.eks. Binære) kontrolvariabler som output fra kontrolvejen. Til dette formål genereres binære styresignaler i styreenheden ved logisk at forbinde de binære indgangssignaler, hvilket bevirker, at styrevariablerne skiftes. Der er ingen feedback på en koblingsoperation, der udføres fra styrebanens udgange til styreenhedens indgange i tilfælde af logiske kontroller.

På dette grundlag defineres "logiske kontroller" som følger (Zander):

En logisk kontrol er en proces, hvor der i tilfælde af en ændring i værdierne af binære drifts- og / eller målesignaler ved hjælp af en logisk kombination, muligvis med inddragelse af interne tilstande, ifølge et kontrolprogram, en ændring i værdierne af binære aktiveringssignaler forekommer, hvorved en eller flere toværdige eller flerværdige styrevariabler forekommer påvirkes ved udgangen af ​​styrebanen, således at de antager den værdi, der er foreskrevet for dem af kontrolalgoritmen.

Karakteristika for den logiske kontrol er en åben handlingssekvens og binære eller flerværdige kontrolvariabler .

Inkluderingen af ​​interne tilstande kan ske ved brug af lagringselementer. Logiske kontroller kan derfor være kombinatoriske systemer (uden hukommelse) eller sekventielle systemer (med hukommelser).

Eksempler på logiske kontroller:

• Skiftende eller krydsskiftende for at tænde og slukke lys eller enheder ved hjælp af kontakter på forskellige steder (kombinatorisk linkstyring).
• Skift af et signallys mellem inaktiv lys, hurtigt blinkende, permanent lys og langsomt blinkende lys for at vise en fejl, der er opstået eller er blevet fjernet, afhængigt af en bekræftelse, der endnu ikke er foretaget eller er blevet udført (sekventiel linkstyring).

Differentiering mellem binære kontroller og regler

Binære kontroller og forskrifter adskiller sig hovedsageligt i følgende henseender:

• Mål (opgaver) : Kontrol forårsager visse processer i kontrolobjekterne (kontrollerede processer), kontroller på den anden side sikrer processtabilisering i nærvær af forstyrrelsesvariabler.

• Informationsbehandling : I kontrolsystemer udføres for det meste logiske operationer på binære signaler (OG, ELLER, IKKE, tælling, lagring, tidsfunktioner); i kontrolsystemer udføres aritmetiske funktioner hovedsageligt mellem analoge størrelser (differensdannelse, multiplikation, integration, differentiering). Af denne grund kan differentialligninger bruges til beskrivelse og beregning af kontroller, mens midlerne til binær matematik skal bruges til beskrivelse og beregning af kontroller. Især kommer skiftende algebra , anvendt automatteori og teorien om Petri -net i betragtning .

• Antal ind- og udgange : Industriel styring har et stort antal ind- og udgange (typisk 10 til 100 og derover). Inden for kontrolteknik dominerer på den anden side enkeltvariabel kontroller, dvs. styreenheder med en enkelt kontrolleret variabel som input og en enkelt manipuleret variabel som output. Multi-variable controllere, som i princippet har flere indgange (kontrollerede variabler) og flere udgange (manipulerede variabler), er sjældnere, men ikke så mange som kontroller.

Kontrol og PLC

I den engelsksprogede faglitteratur bruges ordet "kontrol" uden forskel for både regulering og kontrol. Dette udtryk oversættes ofte blot som "kontrol". Kendskab til konteksten er derfor påkrævet for at kunne oversætte korrekt.

Den engelske ækvivalent for "Programmable Logic Controller (PLC)" er "Programmable Logic Controller (PLC)", som er meget mere præcis end den tyske PLC, fordi den logiske forbindelse i controlleren fremhæves som en væsentlig funktion, mens lagringen af program er ikke understreget forblive.

Fordele og ulemper ved kontrol i forhold til regler

Fordele ved kontrol:

• Handlingsprocesserne er lette at forstå.
• Hvis der opstår en fejl, kan processen påvirkes manuelt.
• Der kan ikke være nogen ustabil adfærd og ingen skadelige overdrevne amplituder af kontrolvariablen på grund af forkert justerede controllere.
• En særlig måleenhed til feedback af kontrolvariablen ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">y</span></span>}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">(</span></span>\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">t</span></span>}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">)</span></span>}${\ displaystyle y (t)} ikke nødvendigt.

Ulemper ved kontrol:

• Passende foranstaltninger kan kun bruges til at kompensere for kendte målbare forstyrrelser.
• Kontrolvejen skal være meget velkendt, hvis interferenskompensation skal være effektiv på den ønskede måde.
• Der er ingen feedback om, hvorvidt referencevariablen ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">u</span></span>}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">(</span></span>\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">t</span></span>}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">)</span></span>}${\ displaystyle u (t)} efter outputstørrelsen ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">y</span></span>}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">(</span></span>\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">t</span></span>}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">)</span></span>}${\ displaystyle y (t)} blev opnået.

Fordele og ulemper ved kontroller er beskrevet i artiklen Kontrolteknologi .

Typer af implementering af kontrolenheder

Forbindelsesprogrammeret styreenhed (VPS)

Den forbindelsesprogrammerede styreenhed er også kendt for kort (VPS).

Bemærk: Betegnelsen kontrol er faktisk en proces, ikke en enhed. Kontrolenheden er derimod styreenheden, som dog også kaldes kontrol for kort, så der kan forekomme forvekslinger.

Enhedsspecifikke versioner af forbindelsesprogrammerede styreenheder er f.eks.

• mekanisk styring: f.eks. B. tappevalser af et tøndeorgel, kam,
• elektrisk styring: f.eks. B. Kontakter og relæer,
• pneumatisk eller hydraulisk kontrol,
• elektronisk kontrol: f.eks. B. Logiske porte, programmerbar logisk kredsløb.

Programmerbar logisk controller (PLC)

Kompakt PLC til små kontroller ( Siemens : System LOGO!)

Den programmerbare logiske controller (PLC) kaldes også kort sagt en programmerbar logisk controller. Flertallet af programmerbare logiske controllere forkortes til PLC'er .

PLC'en er i bund og grund en mikrokontroller med tilsvarende hukommelser til kontrolprogrammer og kontrolparametre samt tilhørende indgange til sensorsignaler og udgange til aktuatorsignaler suppleret med menneske-maskine-grænseflader til drift og grænseflader til industriel kommunikation til programmering og netværk.

Modulær PLC i mellemklasse og høj ydeevne klasse ( Siemens : System Simatic S7-1500)

PLC er den mest udbredte type kontrol i dag. I princippet kan den også bruges som controller , da den interne mikroprocessors aritmetiske-logiske enhed (ALU) kan løse både de logiske kontrolopgaver og de aritmetiske reguleringsopgaver under informationsbehandling.

PLC danner derfor også grundlaget for moderne styringsteknologi til automatisering i nationaløkonomien. På grund af deres universelle karakter har PLC'erne således udviklet sig til et masseprodukt, der fremstilles i millioner over hele verden. De muliggør derfor masseapplikation af automatisering kombineret med dens udbredte anvendelse på alle områder af økonomien og på mange områder af forbrugsvarer.

PLC -teknologi har ydet et væsentligt bidrag til at tydeliggøre de konceptuelle grænser mellem kontrol og regulering på den ene side og til at overvinde den med hensyn til enhedsteknologi på den anden side. Denne udviklingsproces har endelig også påvirket filosofien og metodikken i designprocesser for udførte kontroller og forskrifter . Som et resultat heraf er der opnået en vidtrækkende metodisk standardisering uden at negere deres indre detaljer og uden at skifte de pc-baserede designværktøjer på linje.

Kontrol design

Designproces

Ved design af kontroller er målet at udvikle en formel repræsentation af de nødvendige processekvenser for en uformelt specificeret kontrolopgave, som gør det muligt at oprette en tilsvarende styreenhed, så den ønskede diskrete hændelsesproces kører i kontrolsystemet gennem kontrollen signaler, det udsender, og de modtagne målesignaler.

For tilslutningsprogrammerede styreenheder finder den formelle repræsentation sted i form af tekniske tegninger eller kredsløbsdiagrammer, som angiver, hvordan komponenterne skal sammenkobles for at forbinde de binære signaler. I tilfælde af programmerbare styreenheder er det et spørgsmål om at oprette programmer, via hvilke alle logiske links implementeres i software.

Kontroldesignet kan udføres enten intuitivt eller empirisk eller systematisk. I systematisk design taler man også om oprettelsen af ​​en kontrolalgoritme. Beskrivelsesmidler og metoder til at skifte algebra, automatteori eller Petri net -teori bruges.

Beskrivende midler til kontrolalgoritmer

Det beskrivende middel til at skifte algebra, automatteori og Petri net -teori kan bruges til først groft at nedskrive kontrolalgoritmerne manuelt, når man designer styringer.

Sandhedstabel

Tildelingen af ​​binære udgangssignaler A til binære indgangssignaler X kan repræsenteres ved en sandhedstabel. Værdierne for de binære signaler er angivet med cifrene 0 og 1.

Sandhedstabellen overfor indeholder 2 indgangssignaler E1 og E2, og der er 4 mulige inputkombinationer til dette. I den højre del af tabellen vises funktionsværdierne for de tre vigtigste links som output A1 til A3: AND, OR, Exclusive-OR (non-ækvivalens).

Sådanne tabeller med flere output er en forkortet repræsentation af individuelle tabeller med kun et enkelt output. En tabel med 4 indgange indeholder 16 forskellige links (se boolsk funktion ).

Sådanne sandhedstabeller kan antages, når kontrolsystemet designes. Efter en mulig forenkling med reglerne for skift af algebra eller med Karnaugh-Veitch-diagrammet , kan resultatet derefter bruges direkte til at implementere styreenheden.

Følgende eksempel bruges til at undersøge kontroldesignet mere detaljeret:

Opgave

En patient kan ringe til sygeplejersken ved at trykke på en opkaldsknap via et oplyst display. I modsætning til en dørklokke skal et tryk på knappen føre til en permanent besked for at blive bemærket, selvom der ikke længere trykkes på opkaldsknappen (hukommelsesfunktion). Det oplyste display bekræftes (nulstilles, slettes) af sygeplejersken med en reset -knap.

Løsning

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): ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">A</span></span>}\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">1</span></span>}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">=</span></span>\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">E</span></span>}\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">1</span></span>}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\vee </span></span><span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">(</span></span>\stackrel{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">¯</span></span>}{\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">E</span></span>}\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">2</span></span>}}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\wedge </span></span>\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">E</span></span>}\mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">3</span></span>}<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">)</span></span>}${\displaystyle A1=E1\lor ({\overline {E2}}\land E3)}
  ${\displaystyle <span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\vee </span></span>}${\displaystyle \lor } steht für ODER, ${\displaystyle <span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\wedge </span></span>}${\displaystyle \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

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

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

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

1. ↑ ^{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 .
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.