Rechnerunterstützte Projektierung der Hardware und Software von speicherprogrammierten Steuerungen PDF
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ISW55 Berichte aus dem Institut fOr Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Universitat Stuttgart Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. G. Stute t K.-H. RIEGER Rechnerunterstiitzte Projektierung der Hardware und Software von speicherprogrammierten Steuerungel Springer-Verlag Berlin· Heidelberg· New York· Tokyo 093 Mit 51 Abbildungen ISBN-13: 978-3-540-15069-5 e-ISBN-13: 978-3-642-82414-2 DOl: 10.1007/978-3-642-82414-2 Das Werk ist urheberrechtlich geschOtzt. Die dadurch begrOndeten Rechte, ins besondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ilhnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugs weiser Verwendung, vorbehalten. Die VergUtungsansprOche des § 54, Abs. 2 UrhG werden durch die "Verwertungsgesellschaft Wort", MOnchen, wahrgenommen. © Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1985 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dOrften. 2362/3020-543210 Geleitwort des Herausgebers Das Institut fUr Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrich tungen der Universitat Stuttgart befaBt sich mit den neuen Entwicklungen der Werkzeugmaschinen und anderen Fertigungseinrichtungen, die insbesondere durch den erhOhten Anteil der Steuerungstechnik an den Gesamtanlagen gekennzeichnet sind. Dabei stehen die numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen in Programmie rung, Steuerung, Konstruktion und Arbeitseinsatz sowie die vermehrte Verwen- dung des Digitalrechners in Konstruktion und Fertigung im Vordergrund des In teresses. 1m Rahmen dieser Buchreihe sollen in zwangloser Foige drei bis fOnt Berichte pro Jahr erscheinen, in welchen Ober einzelne Forschungsarbeiten berichtet wird. Vor zugsweise kommen hierbei Forschungsergebnisse, Dissertationen, Vorlesungsmanu skripte und Seminarausarbeitungen zur VerOffentlichung. Diese Berichte sollen dem in der Praxis stehenden Ingenieur zur Weiterbildung dienen und helfen, Aufgaben auf diesem Gebiet der Steuerungstechnik zu 10sen. Der Studierende kann mit diesen Berichten sein Wissen vertiefen. Unter dem Gesichtspunkt einer schnellen und kostengOnstigen Drucklegung wird auf besondere Ausstattung verzichtet und die Buchreihe im Fotodruck hergestellt. Der Herausgeber dankt dem Springer-Verlag fOr Hinweise zur auBeren Gestaltung und Obernahme des Buchvertriebs. Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am lnstitut fur Steuerungs technik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Universitat Stuttgart. Dem verstorbenen lnstitutsleiter, Herrn Professor Dr. -lng. G. Stute, gilt mein besonderer Dank fur seine wohlwollende Unterstutzung und Forderung. Ebenso danke ich Herrn Professor Dr. -lng. A. Storr, unter dessen kommissarischer lnstituts leitung ich die Promotion vollenden konnte. Seine eingehende Durchsicht der Arbeit hat ganz wesentlich zu deren Gelingen beigetragen. Herrn Professor Dr.-lng. P. Kuhn danke ich fur seine Bereit schaft, den Mitbericht zu ubernehmen. Daruber hinaus mochte ich mich bei allen Mitarbeitern des lnstituts bedanken, die durch kritische Hinweise und Diskus sionen wertvolle Anregungen zu meiner Arbeit geliefert haben. Dieser Dank gilt insbesondere den Herren Dipl.-lng. W. Renn und Dr.-lng. J. Schwager. Karl-Heinz Rieger 5 Inhaltsverzeichnis Seite Abkurzungen, Bezeichnungen und Symbole 8 Einleitung 13 2 Projektierung speicherprogrammierter Steuerungen 16 2.1 Anwendungsbereich speicherprogrammierter Steue- 16 rungen 2.2 Projektierungsaufgaben 18 2.3 Herkommliche SPS-Projektierung 21 2.4 Moglichkeiten zur rationelleren Arbeitsabwicklung 23 2.5 Rechnerunterstutzung bei der SPS-Projektierung 25 3 Rahmenbedingungen fur die Konzeption des Programm- 29 systems 3.1 Unterschiede bei den Steuerungsgeraten und ihre 29 Auswirkung auf die Projektierung 3.1.1 Aufbau und Wirkungsweise einer speicherprogram 29 mierten Steuerung 3.1.2 Unterschiede bei der Signalverarbeitung 30 3.1.2.1 Operationen und Steuerungsanweisungen 30 3.1.2.2 Bewertung des Operationsvorrats 32 3.1.2.3 Festlegung eines exemplarischen Operationsvorrats 36 3.1.3 Unterschiede bei der Steuerungshardware 36 3.1. 3.1 Gliederung der peripheren Einheiten 36 3.1.3.2 Merkmale der Zeitglieder 39 3.1.3.3 Merkmale der Baugruppenadressierung 40 3.2 Bereitstellung einer rechnergerechten Projektie 41 rungsmethode 3.2.1 Beschreibung des Schaltsystems 41 3.2.2 EinfluB der Signalisierung 43 3.2.3 Struktur des Steuerungsprogramms 45 3.2.3.1 Anforderungen 45 3.2.3.2 Entwicklung einer universellen Programmstruktur 46 3.2.3.3 Strukturabbild im SPS-Programm 47 3.2.4 Moglichkeiten zur Schaltwerkrealisierung in SPS 49 Programmen 6 Seite 4 Entwicklung von rechnergerechten Verfahren 52 4.1 Vorgehensweise beim Entwurf von Programmsystemen 52 4.2 Strukturierung des Programmsystems 53 4.2.1 Prinzipieller Aufbau von Kompilierern 54 4.2.2 Entwicklung des Strukturkonzepts 55 4.3 Definition der Sprachen 58 4.3.1 Projektierungssprache 58 4.3.2 Schnittstellensprache 60 4.3.2.1 Rechnerinterne Darstellung Boolescher Schalt- 61 funktionen 4.3.2.2 Rechnerinterne Darstellung von Schaltwerken 65 4.3.3 Gerate- und Maschinensprache 67 4.4 Verfahren zur Ubersetzung der Steuerungs- 68 beschreibung 4.4.1 Lexikalische Analyse 68 4.4.2 Syntaktische Analyse 70 4.4.2.1 Festlegung geeigneter Analyseverfahren 70 4.4.2.2 Algorithmus zur Analyse Boolescher Ausdrucke 72 4.4.2.3 Generierung der Schnittstellenphase 74 4.4.2.4 Behandlung syntaktischer Fehler 76 4.4.3 Optimierung 77 4.4.4 Aufbereitung der Schnittstellendaten entspre- 79 chend den Beschrankungen der Geratesprache 4.4.5 Erzeugung des Steuerungsprogramms 81 4.4.5.1 Ubersetzung Boolescher Schaltfunktionen 81 4.4.5.2 Ubersetzung der Schaltwerkbeschreibung 84 4.4.5.3 Binden der SPS-Programmsegmente 87 4.4.6 Umwandlung des Steuerungsprogramms in die 87 Gerate- und Maschinensprache 4.5 Verfahren zur Auslegung der Steuerungshardware 88 4.5.1 Alternativen bei der Verarbeitung der Aus 88 legungsdaten 4.5.2 Ermittlung des Bedarfs an signalfuhrenden 90 Baugliedern 4.5.3 Konfiguration des Steuerungsgerats 92 4.5.3.1 Abgrenzung der Aufgabenstellung 92 4.5.3.2 Konzeption einer Datenstruktur 93 4.5.3.3 Vorgehensweise bei der Zusammenstellung 94 peripherer Baueinheiten 4.5.4 Signalbelegung 96 7 Seite 5 Realisierung des Programmsystems 98 5.1 Rechentechnische Voraussetzungen 98 5.2 Aufbau des Programmsystems 99 5.2.1 Methodenbank und Systemverwaltung 99 5.2.2 Datenbank 101 5.3 Erstellung von SPS-Postprozessoren 103 5.4 Merkmale der realisierten Programmoduln 104 5.4.1 Ubersetzung der Eingabe 104 5.4.2 Aufbereitung des Schaltsystems 106 5.4.3 Erzeugung und Ausgabe des Steuerungsprogramms 107 5.4.4 SPS-Konfiguration und Signalbelegung 109 6 Einsatz des Programmsystems 112 6.1 Steuerungsaufgabe 112 6.2 Rechnerunterstlitzte Projektierung der Steuerung 112 7 Zusammenfassung 115 Schrifttum 117 8 Abkurzungen, Bezeichnungen und Symbole Abkurzungen ADDIS automatisches Design digitaler Strukturen ALGOL algorithmic language, hahere Programmiersprache BCD binary coded decimal CAD computer aided design, rechnerunterstutzter Entwurf CNC computerized numerical control, numerische Steue rung mit integriertem Rechner COMMON global vereinbarter Speicherbereich DIN Deutsches Institut fur Normung e.V. DNF disjunktive Normalform DV Datenverarbeitung OVA Datenverarbeitungsanlage EA Ein-, Ausgabe EPROM erasable programmable read only memory EPW Effekt-Pegel-Wert FORTRAN formula translation, hahere Programmiersprache HGF Hochschulgruppe Fertigungstechnik ISW Institut fur Steuerungstechnik der Werkzeug maschinen und Fertigungseinrichtungen MINBOS Programmsystem zur Logiksynthese und Minimierung NC numerical control, numerische Steuerung PC programmable controller, speicherprogrammierte Steuerung PG4 Programmsystem zur rechnergestutzten Software erstellung PL/l programming language/l, hahere Programmiersprache PROM programmable read only memory RAM random access memory RENEST rechnerunterstutzter Entwurf elektrischer Steuerungen REND IS rechnergestutzter Entwurf digitaler Steuerungen REKONE rechnerunterstlitzte Konstruktion elektrischer Vor schubantriebe 9 SPS speicherprogrammierte Steuerung VDE Verband Deutscher Elektrotechniker e.V. VOl Verein Deutscher lngenieure e.V. VOW Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken e.V. VOMA Verein Deutscher Maschinenbau-Anstalten e.V. VPS verbindungsprogrammierte Steuerung Bezeichnungen A Assemblierer AAR Aussprungadressenregister Anzahl der Funktionseinheiten Anzahl der lnitialisierungsbedingungen Variable zur Unterscheidung alternativer SPS-Programmsegmente ATYP Anweisungstyp aU Anzahl der ubergangsbedingungen AZ Anweisungszahler B Binder BA Busanschaltung BAR Binarakkumulatorregister bausti Marke zur Vereinbarung des Bausteinbeginns BB Bausteinbibliothek BOR Binaroperandenregister BS Basissprache d, di Anzahl der benotigten Speicherplatze Di Betrachtungseinheiten der Datei D e Anzahl der baulichen Einrichtungen einer SPS E Eingabeubersetzer ETX end of text, Steuerzeichen EXT externer, d. h. nicht im Programmsystem inte grierter Programmbaustein Anzahl der untergeordneten Fundamentalausdrucke Formatierer untergeordneter Fundamentalausdruck Fundamentalausdruckszeiger 10 Geratesprache Hardwareprojektierungsebene ganzzahlige Indexvariable j ganzzahlige Indexvariable JK Junktorenkennung JR Junktorenregister k ganzzahlige Indexvariable K Kompilierer K1. •• K6 formale Benennung von Ubergangsbedingungen IB maximale Anzahl an SPS-Primarbaugruppen speziell: IE' lA bei Ein- Ausgabebaugruppen LB benotigte Anzahl an SPS-Primarbaugruppen LZ Leerzeichen maximale Anzahl an Sekundarbaugruppen je Primar baugruppe benotigte Anzahl an Sekundarbaugruppen Marke zur Vereinbarung des Sprungziels Maschinensprache n ganzzahliger Hochstwert maximale Anzahl an signalfuhrenden Baugliedern je Sekundarbaugruppe NB benotigte Anzahl an signalfuhrenden Baugliedern OZ Operationszeichen P Programmadresse PS Projektierungssprache OBED Hilfsvariable zur Zwischenspeicherung des Ver knupfungsergebnisses einer Schaltbedingung OINIT Hilfsvariable zur Inhibition der Initialisierungs bedingungen r Hardwarereserveanteil Si Zustande eines Schaltwerks Si.j ••• n Segmentnumerierung SA Signalaufbereitung SBA Satzbasisadresse SPEi Softwareprojektierungsebene SS Schnittstellensprache SU Signalumformung
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