DA Objektorientierte Modellierung zur Simulation des Steuerungsverhaltens von modularen Transfersystemen
Die vorliegende Arbeit verknüpft die Bereiche Materialfluß-Simulation und SPSProgrammierung.
Die Ergebnisse werden in einem Softwarekonzept, das den Arbeitstitel Objektorientierte
Simulation von Prozeß und Steuerung (OSIMPROST) erhält, zusammengeführt.
In der modernen Anlagenplanung, bei der die Materialfluß-Simulation zunehmend eine Rolle
spielt, bietet die Kombination der beiden Bereiche Materialfluß-Simulation und SPSProgrammierung
Vorteile. Die Steuerungslogik, die in der Simulation den Materialfluß steuert,
kann als Grundlage für die Erzeugung von SPS-Programmen für die spätere Anlage dienen.
Um die SPS-Programmierung effizient zu entlasten - die Programme also möglichst automatisch
zu erzeugen und auf die Steuerung zu übertragen - sind neue Konzepte nötig. Während für
die getrennte Simulation und Steuerung bereits eine Reihe erprobter Softwareprodukte und
Ansätze zur Verfügung stehen, fehlen diese für den kombinierten Einsatz. Es werden Konzepte
vorgestellt und erarbeitet, mit deren Hilfe die simulationsgestützte Projektierung von Transfersystemen
schneller und wirtschaftlicher als mit getrennter Software durchzuführen ist. Diese
Arbeit stellt eine Arbeitsgrundlage für die Entwicklung eines Computerprogramms für die Anlagenplanung
dar. Es wird der Versuch gemacht, die dabei auftretenden Probleme zu lösen, und
so die Voraussetzungen für die Realisierung zu schaffen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Aufbau der Arbeit
2 Einführung in die objektorientierte Programmierung
3 Simulation
3.1 Grafische und textuelle Programmdarstellung
3.2 Zeitdarstellung in der Simulation
3.2.1 Echtzeitsteuerung
3.2.2 Quasikontinuierliche Zeitsteuerung
3.2.3 Ereigniszeitsteuerung
3.2.4 Prozeßzeitsteuerung
3.2.5 Multimodelling
3.3 Differenzen zwischen Simulation und Realität
3.4 Objektorientierte Simulation
3.5 Trennung zwischen Material- und Datenfluß
3.6 Petri-Netze in der Simulation
4 Beschreibung von Bausteinen für Transfersysteme
4.1 Beschreibung des Bausteinkastens TS0 von Bosch
4.1.1 Beschreibung der Materialflußfunktionen
4.1.2 Zu den Bausteinen gehörige Steuerungs-Funktionen
4.2 Darstellung der Bausteine als Objekte
4.2.1 Objektbeschreibungen
4.2.1.1 Materialflußgrundverhalten
4.2.1.2 Aktoren
4.2.1.3 Sensoren
4.2.1.4 Eingänge
4.2.1.5 Ausgänge
4.2.1.6 Steuerungen
4.2.1.7 Kommunikations-Dienste
4.2.2 Klassendefinition
5 Objektorientierte Simulation von Prozeß und SPS
5.1 Nutzungs- und Anforderungsstruktur
5.1.1 Anforderungen an ein kombiniertes System
5.1.1.1 Modellierung
5.1.1.2 Modellkomponenten
5.1.1.3 Spezifikation der Simulationsläufe
5.1.1.4 Auswertung
5.1.1.5 Programmierung von Einrichtungen
5.2 Realisierung
5.2.1 Modellierungskomponenten
5.2.2 Modellkomponenten
5.2.2.1 Prozeßbausteine
5.2.2.2 Steuerungsbausteine
5.2.2.3 Interaktion zwischen Steuerungs- und Prozeßbausteinen
5.2.3 Darstellungskomponenten
5.2.4 Zeit und Ablaufsteuerung
5.2.4.1 Ein Ansatz zur Darstellung von SPS-Zyklen bei ereignisorientierter Simulation
5.2.5 Durchführung des Simulationsexperiments
5.2.6 Übertragung der SPS-Programme auf die Steuerungen
5.3 Ein einfaches Simulationsbeispiel in Simple++
5.3.1 Beschreibung von SIMPLE++
5.3.1.1 Warum SIMPLE++?
5.3.1.2 Zeitsteuerung
5.3.2 Modellierung des Beispiels
5.3.3 Die Elemente des Prozesses
5.3.3.1 Die Strecke
5.3.3.2 Der Positionsschalter
5.3.3.3 Der Vereinzeler
5.3.4 Die Elemente zur Modellierung des Steuerverhaltens
5.3.4.1 Petri-Netze
5.3.4.2 Abbildsteuerungen und Verknüpfungen
5.3.5 Der OSIMPROST-Bausteinkasten
5.3.6 Resümee der Modellierung
6 Zusammenfassung
7 Anhang
7.1 Abbildungen und Steuerungen der Bausteine
7.1.1 Positioniereinheit PE 0
7.1.2 Elektrische Quertransporte EQ 0
7.1.3 Quertransporte in Tandemanordnung EQ 0/T
8 Literatur
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Softwarekonzepts für die kombinierte Simulation und Programmierung von modularen Transfersystemen, um die Anlagenplanung effizienter zu gestalten und eine automatisierte Erzeugung von SPS-Steuerungscode zu ermöglichen.
- Objektorientierte Modellierung von Transfersystemen zur Verknüpfung von Materialfluß und Steuerung.
- Entwicklung generischer Objektklassen für Bausteinkästen zur flexiblen Anlagensimulation.
- Implementierung von Petri-Netzen als Mittel zur Darstellung und Generierung von Steuerungslogik.
- Erarbeitung von Konzepten zur prozeßorientierten Zeitsteuerung und deren Interaktion mit SPS-Zyklen.
- Validierung der Ansätze durch ein Simulationsbeispiel im Programm SIMPLE++.
Auszug aus dem Buch
3.6 Petri-Netze in der Simulation
Petri-Netze sind ein Werkzeug, um Prozesse zu modellieren und zu analysieren. Ein Kennzeichen von Petri-Netzen ist, daß sie Nebenläufigkeiten darstellen können. Das sind Vorgänge, die gleichzeitig ablaufen, sich aber zu bestimmten Zeiten gegenseitig beeinflussen.
Petri-Netze verfügen über zwei Arten von Knoten (Stellen für Zustände und Transitionen für Ereignisse) und über gerichtete Kanten. Anschaulich läßt sich das Verhalten von Petri-Netzen auch als Brettspiel beschreiben. Dem Markenspiel liegen folgende Regeln zugrunde:
Alle Stellen vor einer Transition müssen besetzt sein und alle Stellen nach einer Transition frei, um die Transition zu aktivieren. Eine aktive Transition entfernt jeden Spielstein, der auf einer Stelle vor der Transition liegt und setzt auf jede Stelle, zu der eine Kante führt, eine Marke. In jeder Spielrunde werden erst alle Transitionen bestimmt, die aktiv sind und dann die Marken gesetzt.
Zu den einfachen Grundregeln dieser Bedingungs-/Ereignis-Netze (B/E) sind bestimmte Erweiterungen gebräuchlich, um komplizierte Sachverhalte einfacher darzustellen: Stellen/Transitions-Netze (S/T), bei denen Kanten eine bestimmte Anzahl Marken transportieren und Stellen eine bestimmte Anzahl Marken aufnehmen können. Prädikat/Transitions-Netze (P/T), bei denen Marken über verschiedene Eigenschaften verfügen, die das Aktivieren einer Transition beeinflussen.
P/T-Netze können in S/T-Netze überführt werden und diese wiederum in B/E-Netze. Mit dieser Umwandlung in einfachere Netztypen geht aber eine starke Größenzunahme einher.
Um mit Petri-Netzen Prozesse simulieren zu können, muß die Zeit berücksichtigt werden. Es gibt verschiedene Verfahren, Zeitverzögerungen darzustellen. Hier wird nur die gebräuchlichste und flexibelste Methode erwähnt /KÄMPER 91/. Eine Transition ist mit einer Zeit als Attribut behaftet. Sie muß über diesen Zeitraum ununterbrochen aktiv sein, um zu schalten.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Arbeit motiviert die Verknüpfung von Materialfluß-Simulation und SPS-Programmierung zur effizienteren Projektierung von Transfersystemen und führt das Konzept OSIMPROST ein.
2 Einführung in die objektorientierte Programmierung: Grundlagen der objektorientierten Softwareentwicklung, wie Kapselung, Klassen, Vererbung und Polymorphismus, werden als Basis für die Modellierung erläutert.
3 Simulation: Es werden verschiedene Simulationsarten, Zeitsteuerungsmodelle und die Grundlagen der Modellierung mittels Petri-Netzen im Kontext von diskreten Systemen behandelt.
4 Beschreibung von Bausteinen für Transfersysteme: Analyse der Grundbausteine am Beispiel des Bosch-Systems TS0 und Ableitung einer objektorientierten Struktur für deren Darstellung.
5 Objektorientierte Simulation von Prozeß und SPS: Detaillierte Darstellung des OSIMPROST-Konzepts, der Anforderungen an das System, die Realisierung der Steuerung sowie die Umsetzung eines Beispielmodells in SIMPLE++.
6 Zusammenfassung: Resümee der Arbeit, in dem die erfolgreiche Entwicklung der Objektstruktur und die Eignung von Petri-Netzen für die SPS-Programmgenerierung hervorgehoben werden.
7 Anhang: Enthält detaillierte Abbildungen der Bausteine und die zugehörigen Steuerungslogiken für verschiedene Konfigurationen.
8 Literatur: Auflistung der verwendeten Quellen und Fachpublikationen.
Schlüsselwörter
Objektorientierte Programmierung, Simulation, Materialfluß, SPS, Transfersysteme, Petri-Netze, Modellierung, Steuerung, SIMPLE++, Fertigungstechnik, Anlagenprojektierung, Informationhiding, Klassenhierarchie, Ereignissteuerung, Prozessautomation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht die Möglichkeiten, Materialfluß-Simulation und die Programmierung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) in einem kombinierten, objektorientierten Softwarekonzept zu vereinen.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Zentrale Themen sind die objektorientierte Modellierung von Fertigungsanlagen, die zeitliche Synchronisation von Simulationsmodellen mit SPS-Steuerungszyklen und die Verwendung von Petri-Netzen zur Logikdarstellung.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Schaffung einer Arbeitsgrundlage für ein Computerprogramm, das die simulationsgestützte Projektierung von Transfersystemen beschleunigt und eine automatische Generierung von SPS-Programmen aus dem Modell ermöglicht.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Es wird eine theoretische Entwicklung generischer Objektstrukturen vorgenommen, ergänzt durch die Analyse realer Bausteinkataloge und die praktische Erprobung von Lösungsansätzen im Simulator SIMPLE++.
Was behandelt der Hauptteil der Arbeit?
Im Hauptteil werden die theoretischen Grundlagen der Simulation und der objektorientierten Programmierung dargelegt, gefolgt von einer detaillierten Analyse und objektorientierten Beschreibung der Transfersystem-Bausteine eines Herstellers.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich am besten mit Begriffen wie Objektorientierte Simulation, SPS-Programmierung, Transfersysteme, Materialfluß-Analyse und Petri-Netze charakterisieren.
Wie löst der Autor das Problem der unterschiedlichen Zeitdarstellung von Simulation und SPS?
Der Autor führt einen Ansatz ein, bei dem das SPS-Programm nur bei Ereignissen aktiviert wird, und eine künstliche Reaktionsverzögerung eingeführt wird, um die Zykluszeit der realen Hardware abzubilden.
Warum ist die Entscheidung auf das Programm SIMPLE++ gefallen?
Die Wahl fiel auf SIMPLE++, da es durchgehend objektorientiert implementiert ist, eine mächtige Programmiersprache bietet und eine offene Architektur für externe Datenschnittstellen besitzt.
- Arbeit zitieren
- Dipl.- Kfm. Helge Heuer (Autor:in), 1995, Objektorientierte Modellierung zur Simulation des Steuerverhaltens von modularen Transfersystemen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/174480
