Start einer Bohreinrichtung durch eine speicherprogrammierbare Steuerung mithilfe des Programms CoDeSys

Inhaltsverzeichnis

II. Abbildungverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)
2.1.1 Aufbau und Wirkungsweise einer SPS
2.1.2 SPS-Zyklus
2.2 Schrittkette
2.3 PETRI-Netze

3 Hauptteil
3.1 Bohreinrichtung im PETRI-Netz
3.2 Programmierung in CoDeSys
3.3 Simulation - Zylinder Bewegung

4 Schluss

5 Verständnisfrage

IV. Anhang

V. Quellenverzeichnis

II. Abbildungverzeichnis

Abb 1: EVA-Prinzip einer SPS-Steuerung

Abb 2: PETRI-Netz (einfache Abbildung)

Abb 3: Bohreinrichtung im PETRI-Netz grafisch dargestellt

Abb 4: Globale Variablen der Bohreinrichtung

Abb 5: Schrittmerker Variablen und Funktionsbaustein vom Typ TON

Abb 6: Programmcode Grundstellung - Schritt 0

Abb 7: Programmcode Zylinder 1 ausfahren - Schritt 1

Abb 8: Programmcode Zylinder 2 ausfahren - Schritt 2

Abb 9: Programmcode 2Sek. Bohren - Schritt 3

Abb 10: Programmcode Zylinder 2 zurückfahren - Schritt 4

Abb 11: Programmcode Zylinder 1 einfahren - Schritt 5

Abb 12: Programmcode letzter Schritt

Abb 13: Programmcode Taster S2

Abb 14: Programmcode Variablen für die Zylinder + Geschwindigkeit

Abb 15: Programmierungsausschnitt "Zylinder Simulation Bewegung"

1 Einleitung

Im täglichen Leben werden wir mit einer Vielzahl von Steuerungen konfrontiert, die wir nicht bewusst wahrnehmen. Bei der Fahrt mit dem Auto z.B. werden an jeder Kreuzung die Ampeln für Auto und Fußgänger gesteuert. Selbst im Auto steuert das Motorsteuergerät die Einspritzung der Pumpen, das Antiblockiersystem und viele weitere elektrischen Prozesse.

Aus diesen Beispielen ist zu erkennen, dass die Steuerungstechnik weit ver- breitet ist. Sie nimmt uns Aufgaben ab und arbeitet Prozesse automatisch ab. Die Steuerungstechnik stellt neben der Regelungstechnik, der Messtechnik und der Prozessleittechnik eine Grundlage der Automatisierungstechnik dar.

Der Mensch verlässt sich voll und ganz auf die Hard- und Software der Steu- erungstechnik wie z.B. im Auto, Straßenverkehr, Fahrstuhl usw. Die Aufgabe des Programmierers besteht darin, ein zuverlässiges Steuerungsprogramm zu entwickeln, dass ein sicheres betrieben der Anlage gewährleistet ist.

Steuerungen können realisiert werden z.B. durch verdrahtete Relaisverbindungen, Mikrocomputersysteme bis hin zur Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS).

Mit der Themenstellung der Steuerungsaufgabe „Bohreinrichtung“ soll in die- ser Arbeit eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) mithilfe des Pro- gramms CoDeSys umgesetzt werden. Die konkrete Aufgabenstellung ist, dass mittels eines Tasters S1 (%I0.4) ein automatischer Ablauf gestartet wird. Nach betätigen des Tasters fährt Zylinder 1 aus bis zur Endlage. Da- nach fährt Zylinder 2 aus und nach Erreichen der Endlage wird genau 2s lang gebohrt. Anschließend fährt Zylinder 2, danach Zylinder 1 in die Grund- stellung zurück. Der Taster S2 (%I0.5) dient dazu, die Maschine aus jeder beliebigen Position per Hand sofort in die Grundstellung zurück zu fahren.

Die Ansteuerung der beiden Pneumatikzylinder geschieht mit beidseitiger elektromagnetischer Betätigung. Hierfür werden die folgenden Ausgänge benutzt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Zylinder fahren mit einer gleichmäßigen und langsamen Geschwindig- keit. Die Positionen der Zylinder werden mittels Sensoren an die Steuerung gemeldet. Hierfür stehen die Eingänge E0 (%I0.0) bis E3 (%I0.3) zur Verfü- gung.

Die Umsetzung der „Bohreinrichtung“ soll durch ein Schrittkettensimulations- programm unter CoDeSys in Anweisungsliste entwickelt und simuliert wer- den.

Außerdem soll noch die Verständnisfrage beantwortet werden:

Welche Schichten des OSI-Modells finden in den Kommunikationssystemen der Automatisierung Verwendung?

2 Grundlagen

2.1 Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) bilden das Bindeglied zwi- schen der Automatisierung und den Computersystemen. Die Aufgabe einer SPS besteht vor allem im Steuern. Sie besteht aus einer CPU und zentralen E/A-Baugruppen. Die Steuerungen der Anlagen erfolgt über Ein- und Aus- gänge, daneben werden mit Sensoren (z.B. Lichtschranke, Endschalter) und Aktoren (z.B. Schütze, Ventile) die Zustände der Maschine / Anlage abgetas- tet.

2.1.1 Aufbau und Wirkungsweise einer SPS

Eine SPS besteht in der Regel aus folgenden Baugruppen. Einer Strom Versorgung, einer Zentraleinheit (CPU) und binären Eingangs- bzw. Ausgangskarten. Dazu können noch weitere Funktionsbaugruppen wie z.B. Zähler, Zeitglieder usw. aufgesteckt werden und diese sind dann über einen Rückwandbus elektrisch verbunden.

Die Wirkungsweise einer SPS wird generell durch das EVA-Prinzip darge- stellt. Die Eingabe erfolgt über die verschiedenen Sensoren, die sowohl digi- tale als auch analoge Signale an die CPU weitergeben. Die Verarbeitung erfolgt durch die Zentraleinheit, die zyklisch immer wieder durchlaufen wird um Änderungen am Eingang zu registrieren. Die Ausgabe erfolgt dann über Schütze, Transistoren, Relais und dient dabei zur Ansteuerung von Aktoren wie Alarmleuchten, elektromagnetische Zylinder, Ventile und Motoren. Akto- ren sind immer an der Ausgabebaugruppe angeschlossen.^{1 2}

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb 1: EVA-Prinzip einer SPS-Steuerung

2.1.2 SPS-Zyklus

Wie bereits erwähnt werden SPS-Programme zyklisch durchlaufen. Dadurch erreicht man, dass in möglichst kurzen Abständen der Zustand der Eingänge immer wieder abgefragt und aktualisiert wird.

Zu Beginn werden alle Eingangssignale eingelesen und auf einem Zwischenspeicher abgebildet (Eingangsabbild). Dann im zweiten Schritt folgt das Anwenderprogramm, das vom Entwickler geschrieben wurde. Alle Ausgänge die dort gesetzt wurden im Anwenderprogramm werden auch wieder zunächst in einem Zwischenspeicher abgebildet (Ausgangsabbild). Steueranweisungen für Ausgänge und Merker werden während der Bearbeitung nicht sofort an die Ausgänge weitergeleitet. Erst am Ende jedes Zyklus werden im Block die Zustände auf den Ausgang übertragen.

Innerhalb eines einzelnen Zyklus im Anwenderprogramm stehen also nur die im Zwischenspeicher festgehaltenen Momentaufnahmen der Eingänge zur Verfügung. Der Vorteil ist das Eingangsabbild mit Ausgangsabbild immer zeitsynchron sind.

Die Zykluszeit der SPS ist die Zeit für die Abarbeitung eines Zyklus und aus der Zeit des Betriebssystems. Das bedeutet die Übertragung des Ein- und Ausgangsabbildes und der Rechenzeit für das Anwenderprogramm.³

2.2 Schrittkette

Die Schrittkette ist das Kernstück einer Ablaufsteuerung. Sie besteht aus ei- ner Folge von Schritten, die abhängig von den Bedingungen zum weiter- schalten in einer festgelegten Reihenfolge aktiviert werden. Die Bearbeitung einer Schrittkette beginnt immer mit der Grundstellung. Nach aktivieren einer Bedingung wird der nächste Schritt gesetzt. Der vorhe- rige Schritt wird zurückgesetzt. Ein Schritt wird immer verlassen, wenn alle Bedingungen für die nächste Transition bzw. Weiterschaltbedingung erfüllt sind.

Transitionen sind Variablen vom Typ BOOL (Wahr oder Falsch), und werden durch logische Verknüpfungen aus Signalen und Eingängen abgeleitet. Der Schritt selbst wird i.d.R. durch Schrittmerker dargestellt. Der Schrittmer- ker des nachfolgenden Schritts setzt den Schrittmerker des vorherigen Schritts zurück. Somit ist gewährleistet dass immer nur ein Schritt aktiv ist.⁴

2.3 PETRI-Netze

Ablaufsteuerungen lassen sich durch PETRI-Netze sehr gut veranschaulichen. Sie bestehen aus Plätzen (Zustände, Aktionen) und den Transitionen (Weiterschaltbedingungen)

Schrittketten beruhen auf demselben Prinzip wie PETRI-Netze und können mithilfe von PETRI-Netzen strukturiert dargestellt werden.

Von der Anlage kommende Signale gehen in die Transition ein. Die Plätze stellen die Signale an die Ausgänge der Steuerung für die Maschine bereit. Aktive Plätze werden durch einen gesetzten Schrittmerker charakterisiert.⁵

Abb 2: PETRI-Netz (einfache Abbildung)

3 Hauptteil

Wie bereits in der Einleitung dieses Assignment erwähnt, setzt das Thema die Aneignung der Grundfertigkeiten der SPS Programmierung voraus. Zur Umsetzung und Simulation dieser Aufgabe ist ebenso eine Einarbeitung in das Programm CoDeSys notwendig.

Im nachfolgendem wird nun zuerst die Aufgabe im PETRI-Netz umgesetzt und grafisch dargestellt und im Anschluss daran wird die Aufgabe in CoDeSys programmiert in Form einer Anweisungsliste.

3.1 Bohreinrichtung im PETRI-Netz

Wie zuvor in den Grundlagen erläutert werden PETRI-Netz genutzt um die Ablaufsteuerung grafisch darzustellen. Die nachfolgende Abbildung 3 zeigt den groben Ablauf der Bohreinrichtung.

In der Grundstellung in der Schritt 0 aktiv. In dieser Stellung liegt ein Eingangssignal an den Eingängen E0 (%I0.0) und E2 (%I0.2). Die Zylinder befinden sich in eingefahrener Position.

Mit Betätigung des Tasters S1 (%I0.4) ist die erste Transition erfüllt und es wird der erste Schritt gesetzt und der Schritt 0 zurückgesetzt. Zylinder 1 wird jetzt solange ausgefahren bis es den Endschalter E1 (%I0.1) erreicht.

Mit erreichen der Position E1 wird der nächste Schritt gesetzt und Zylinder 2 wird ausgefahren bis es den Endschalter E3 (%I0.3) erreicht.

Es wird anschließend 2 Sekunden lang gebohrt, wenn Zylinder 2 die Endlage erreicht hat. Schließlich werden dann die Zylinder 2 und 1 nacheinander wie- der in die Grundposition zurückgefahren und der Bohrzyklus ist einmal abge- laufen.

[...]

¹ Vgl. Prof. Dr. Frank Thuselt, Steuerungstechnik STT101, S. 43f

² Vgl. Dr.-Ing.Bernd Schröder. Steuerungstechnik für Ingenieure. 2014, S.13ff

³ Vgl. Thuselt F. Steuerungstechnik. S. 56ff

⁴ Vgl. Thuselt F. Steuerungstechnik. S. 94ff

⁵ Vgl. Pickhardt R. Grundlagen und Anwendung der Steuerungstechnik. 2000. S. 76ff