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Grundlagen von SPaS

Ein Anliegen der Norm IEC 1131-3 ist es u.a., einen Steuerungsentwurf unabhängig von der genutzten Hardware zu ermöglichen. Für die in der Norm genannten Sprachen werden keine Vorschriften gemacht oder Anforderungen an die Entwurfsmethode bzw. die Entwurfswerkzeuge gestellt. So stehen neben den bekannten konventionellen Vorgehensweisen wie z.B der Ablaufsprache für Schrittketten, neue moderne Methoden der Petrinetztechnik zur Verfügung. Aber auch für solche Werkzeuge, die den Steuerungsentwurf mittels Zustandsmaschinen erlauben gilt, daß diese auf jeweils eine Hardware zugeschnitten sind, bzw. für einen Nichtsteuerungsfachmann schwierig zu lesen sind.

Die Ablaufsprache ist in der Norm die einzige graphische Form zur Gestaltung des Steuerungsmodells eines technologischen Prozesses. Die sinnreiche Interpretation des Bedingungs-Ereignisnetzes (BE-Netz), eine Spezifizierung des Petrinetzes, erlaubt die technologisch verständliche Zusammenführung von zu erfüllenden Prozeßschritten mittels der erforderlichen Steuergrößen unter Berücksichtigung der zu erwartenden technologischen Prozeßgrößen. Beide Größen sind vorzugsweise zweiwertig, so daß der Begriff der binären Prozeßanalyse deutliche Züge erhält. Die Ablaufsprache hat einerseits eine mathematisch exakte Basis und ist andererseits für den Anwender, gleichgültig ob Verfahrenstechnologe, Maschinenkonstrukteur oder Automatisierungsfachmann, ein geeignetes Arbeitsmittel zum Prozeß-Steuerungsentwurf und zur Beurteilung der funktionellen Korrektheit. Das Grundproblem der Ablaufsprache, auch sequentieller Funktionsplan oder Sequential Function Chart (SFC), besteht vor allem darin, daß sie unmittelbar für den Steuerungs-Programmentwurf genutzt wird, obgleich mehrere Voraussetzungen nicht erfüllt werden können [APKP99]: Die nicht genügende graphische Gestaltungsmöglichkeit der Schritt-Übergänge (Transitionen) verhindert auch eine visuelle Gestaltungs- und Kontrollmöglichkeit der Schritt-Stabilität[1]. Die Strukturvorschriften des BE-Netzes - und damit der Ablaufsprache - erlauben keine befriedigenden Gestaltungsmöglichkeiten bei Steuerungsanforderungen des Prozesses, die kombinatorische Eigenschaften (Verknüpfungs-Steuerungen) zur Folge haben, oder wenn in sequentiellen Strukturen (Folgesteuerungen) kombinatorische eingeschachtelt sind, also Folge- und Verknüpfungssteuerung sich beliebig abwechseln [2]. Das BE-Netz ist nur dann als Steuerungsmodell geeignet, wenn Batch-Prozesse zu beschreiben sind. Fließprozesse, sie zeichnen sich durch gleichzeitigen Betrieb aller Ressourcen aus, die einander funktionell synchronisieren, sollten nicht damit beschrieben werden.

Die Einführung soll mit einigen Anforderungen an das Steuerungsmodell schließen, die aus den bisherigen Betrachtungen folgen. Es sei an dieser Stelle vorausgeschickt, daß die Beschreibungen und die Lösungen der Anforderungsprobleme im Rahmen der binären Prozeßanalyse im wesentlichen mit zwei graphischen Modellen angestrebt werden, dem Prozeßablaufnetz und dem Prozeßablaufplan.

Das Steuerungsmodell für einen technologischen Prozeß

  • darf keine Voraussetzungen an den Prozeßablauf stellen; denn es hat gleichgültig zu sein, ob ein sequentielles oder kombinatorisches Verhalten erforderlich ist.
  • muß visuell erkennbare Aussagen zu Stabilitätsproblemen jedes Schrittes zulassen. Jedes "Bündel" binärer Steuervariablen muß am Modell nachweisbar Stabilitätsbedingungen unterworfen werden können.
  • darf keinerlei Komponenten für die Programmierung einer SPS enthalten. Insbesondere Speicheranweisungen, wie sie vom SFC her bekannt sind, dürfen nicht im Modell erscheinen.
  • muß von den Fachleuten des zu steuernden Prozesses in allen Einzelheiten lesbar, d.h. beurteilbar sein.
  • muß das natürliche Einbringen von Vergleicher-, Zeit- und Zählfunktionen, Daten umspeichern (Datentransfer) sowie Arithmetikfunktionen gewährleisten. Auch die Auswertung von Signalflanken gehört hierher.
  • muß in seiner endgültigen Form, gutgeheißen durch die Sachverständigen des zu steuernden Prozesses einerseits und die der Prozeßleittechnik andererseits, geeignet sein, das SPS-Programm automatisch zu erzeugen, nachdem herstellerbedingte und andere Hardware-Details des Steuerungsprojektes ergänzt wurden.

Das bedeutet auch, in einem Projekt für SPS verschiedener Hersteller das Programm zu erzeugen.

Modellphilosophie - Voraussetzungen

Am Anfang aller Anforderungen an die Prozeßleittechnik steht der technologische Prozeß; er ist der Maßstab aller Automatisierungsbestrebungen einschließlich der Mensch-Anlagen-Kommunikation (MAK), auch Bediener-Prozeß-Kommunikation genannt. Das Vorgehensmodell von SpaS lehnt sich an das System der VDI/VDE-Richtlinie 3694 "Lastenheft/Pflichtenheft für den Einsatz von Automatisierungssystemen" an und enthält die Bearbeitungsfolge wie in Abb. 1-1 dargestellt:

  1. Anforderungsanalyse / Anforderungsdefinition
  2. Systementwurf / Systemtest
  3. Realisierungsentwurf / Realisierungstest
  4. Technische Realisierung (Implementierung und Inbetriebnahme)

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[1] Ein Schritt heißt instabil, wenn bei seinem Erreichen schon ein Übergang zu einem Folgeschritt erfüllt ist, weil dann die gewünschten Aktionen des Schrittes nicht (oder nur einen SPS-Zyklus lang) ausgeführt werden.
[2] sequentiell bedeutet reine "Schrittkette" bzw. Zustandsfolge, Folgeschaltung mit von Schritt zu Schritt neuen Ausgaben; kombinatorisch bedeutet innnerhalb eines Zustandes bzw. Schrittes unterschiedliche Ausgaben in Abhängigkeit vom Wechsel der Eingaben; rein kombinatorisch entspricht einer "Verknüpfungssteuerung"
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Modellphilosophie - Voraussetzungen

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