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Diplomarbeit: Kurze Beschreibung des Themas (veraltet!)

Einführung

Prozessautomatisierung

Zur Produktion von Gütern aller Art werden in den modernen Industrieländern schon seit vielen Jahren hoch technisierte Maschinen eingesetzt, die immer umfangreichere und komplexere Arbeitsabläufe übernehmen. Mit zunehmender Komplexität der Arbeitsabläufe steigen auch die Anforderungen an die Steuerung einer Maschine. Sie muss alle Baugruppen koordinieren, Fehler erkennen und Techniker bei Wartung und Fehlerdiagnose unterstützen.

Eine der wichtigsten Steuerungstechnologien zur Prozessautomatisierung ist die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Im einfachsten Fall enthält sie einen Mikroprozessor als zentrale Steuerinstanz, einen Speicherbaustein für das Programm und Ein-/Ausgabe-Schnittstellen zur Interaktion mit der Außenwelt. Moderne SPS entwickeln sich zunehmend zu vollwertigen Computern mit Netzwerkfunktionen, Displays und umfangreichen Fernwartungsmöglichkeiten. Die SPS ist damit nicht nur Gehirn und zentrale Steuerstelle einer Maschine. Hier treffen unterschiedlichste Forschungsdisziplinen aufeinander. Viele Begriffe aus der SPS-Technik haben ihren Ursprung in der klassischen Elektrotechnik und in der Informatik.

Diesen umfangreichen Anforderungen gilt es auch in der Lehre Rechnung zu tragen, denn ein Fehler in einer Maschinensteuerung kann, anders als die meisten Fehler in PC-Software, auch dazu führen, dass Hardware zerstört oder im schlimmsten Fall Menschen zu Schaden kommen.

Ich möchte Studenten/Auszubildenden den Einstieg in diese komplexe Materie erleichtern, indem ich mit dieser Diplomarbeit ein System schaffe, das einen kostengünstigen und ungefährlichen ersten Zugang zur Automatisierungstechnik bietet.

Anforderungen an einen SPS-Emulator zum Einsatz in der Lehre

Das System sollte

  • keine besondere Hardware erfordern, sondern auf handelsüblichen Computern laufen. Diese werden von den meisten Studenten ohnehin benötigt und sind daher in der Regel privat oder in Rechnerpools an der Ausbildungsstelle vorhanden.
  • Freeware sein, d.h. ohne Lizenzkosten jedem Studenten zur Verfügung gestellt werden können.
  • als Open-Source-Projekt von Studenten und Lehrenden an die besondere Einsatzzwecke angepasst werden können.
  • plattformunabhängig sein, um die Systemvielfalt in der freien Lehre zu unterstützen.
  • möglichst modular strukturiert sein
  • möglichst echtzeitfähig sein

Architektur und Gewichtung

Um die gewünschten Anforderungen in die Praxis umzusetzen habe ich mich für ein modulares Programm in der Programmiersprache Java entschieden. Java-Applikationen laufen auf den wichtigsten der heute üblichen Computer. Dadurch ist der Student nicht gezwungen, sich mehrere Betriebsysteme oder gar mehrere Rechnerarchitekturen (x86, PowerPC) zu installieren. Außerdem steigt die durchschnittliche Leistungsfähigkeit der Computer immer weiter an, so dass die Geschwindigkeitseinbußen einer interpretierten Programmiersprache zunehmend zu vernachlässigen sind. Da die meisten Anwendungen im Bereich der Lehre eher auf Grundlagen aufbauen und nicht zeitkritisch sind, ist dieser Kompromiss bei der Echtzeitfähigkeit der Software akzeptabel.

Um den Emulator möglichst flexibel zu gestalten, wurde er in vier Hauptmodule unterteilt:

  • Emulator-Kern (core)
  • Hardware-Interface
  • Applikationsmodule
  • Steuerkonsole

Die Module kommunizieren miteinander über ein TCP/IP-Netzwerk, d.h. die Module können je nach Bedarf alle auf einem PC laufen oder dezentral auf mehrere Rechner innerhalb eines Netzwerkes verteilt werden.

Der Emulator-Kern (core) übernimmt die Emulation einer SPS. Um den Aufwand ein wenig einzugrenzen, werden vorerst nur STEP7-ähnliche Anweisungslisten interpretiert. Weitere Programmiersprachen wie die Funktions- oder Kontaktplandarstellung können später ergänzt werden. Der Kern stellt virtuelle Ein- und Ausgänge zur Verfügung, in die wahlweise Hardware-Interfaces und Applikationsmodule (auch gemischt) eingeklinkt werden können.

Hardware-Interfaces ermöglichen die Einbindung realer Hardwarekomponenten an die emulierte SPS. Sie setzen die Statusänderungen der emulierten SPS in Befehle für Schnittstellenkarten um und melden Änderungen an den Eingängen der Hardware an die virtuelle SPS.

Applikationsmodule stellen eine kostengünstige Alternative zur realen Hardware da. Sie simulieren eine kleine Maschine (z.B. einen Aufzug) mit verschiedenen Sensoren und Aktoren, die über die virtuelle SPS programmiert werden können.

Die Steuerkonsole dient zum Steuern des Emulators und zur Fehlersuche. Mit ihr lassen sich Eingänge manuell setzen und Ausgänge auslesen, Programme laden und die Betriebsart (Start/Stop/Wiederanlauf) festlegen. Die Trennung von Konsole und Emulator-Kern ermöglicht auch eine begrenzte Fernsteuerung über das Internet, ohne dass auch die zeitkritische Kommunikation zwischen Kern und Hardware-Interface selbst über das Internet laufen muss. Im Kapitel Anwendungsszenarien werden hierfür Beispiele genannt.

Anwendungsszenarien

Einfache SPS-Simulation

Der Student installiert den Emulator-Kern und die Steuerkonsole auf seinem PC. Er schreibt ein SPS-Programm, startet es und setzt manuell über die Steuerkonsole einzelne Eingänge an der virtuellen SPS. Dabei beobachtet er das Verhalten der Ausgänge, um die Interpretation des Programms in der SPS nachzuvollziehen.

Programmierung eines virtuellen Fahrstuhls

Der Student installiert den Emulator-Kern, die Steuerkonsole und die Fahrstuhl-Applikation auf seinem Computer. Er verbindet das simulierte Fahrstuhlmodell mit der simulierten SPS und schreibt ein SPS-Programm, das den Fahrstuhl entsprechend der Tastendrücke in den einzelnen Etagen steuert.

Programmierung eines realen Fahrstuhlmodells mit virtuellen Tasten

Der Tutor baut ein Modell eines Fahrstuhls aus Fischertechnik. Die Sensoren und Aktoren des Modells werden an eine PC-Schnittstellenkarte angeschlossen und diese mit dem Hardware-Interface-Treiber an eine virtuelle SPS auf einem Uni-Computer angebunden. Eine Webcam beobachtet das Fischertechnikmodell und sendet die Bilder ins Internet.

Ein Student installiert sich den Emulator-Kern, die Steuerkonsole und die Fahrstuhl-Applikation auf seinem PC. Er programmiert ein SPS-Programm, das die Etagentaster des virtuellen Fahrstuhlmodells abfragt und das reale Fischertechnikmodell ansteuert. Zum Testen verbindet er sich über das Internet mit der virtuellen SPS und betrachtet das Modell über die Webcam. Da sich die virtuelle SPS und das Hardwaremodell in der Uni befinden, müssen nur die weniger zeitkritischen Steuerbefehle über die Internetleitung übertragen werden. Die reale Hardware ist über das schnelle Uni-Netzwerk an die virtuelle SPS angebunden.