3 sps, sail und materialflusssteuerung

IT für Intralogistiksysteme
KAPITEL 3:
SPS, SAIL UND
MATERIALFLUSSSTEUERUNG
INHALTSVERZEICHNIS
3 SPS, SAIL und Materialflusssteuerung ....................................................................5
3.1 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) ................................................................5
3.1.1 Grundlagen der SPS Technik...................................................................................5
3.1.1.1 Entwicklung ......................................................................................................5
3.1.1.2 Definition, Normen ...........................................................................................5
3.1.1.3 Steuerungsarten...............................................................................................7
3.1.1.4 Arbeitsweise einer SPS..................................................................................11
3.1.1.5 Zykluszeit einer SPS ......................................................................................13
3.1.1.6 Wort- und Bitverarbeitung ..............................................................................14
3.1.1.7 Interruptbearbeitung.......................................................................................15
3.1.2 Hardwareaufbau .....................................................................................................15
3.1.3 Programmierstruktur einer speicherprogrammierbaren Steuerung ........................17
3.1.3.1 Grundelemente eines SPS-Programms.........................................................20
3.1.4 Programmiersprachen ............................................................................................22
3.1.4.1 Steueranweisungen .......................................................................................22
3.1.4.2 AWL, KOP und FUP.......................................................................................22
3.1.4.3 SPS-Programmiersprachen für Steuerung und Datenverarbeitung...............23
3.1.4.4 Kommunikationsprozessoren für speicherprogrammierbare
Steuerungen...................................................................................................27
3.2 SAIL (System Architektur für Intralogistik-Lösungen) .....................................................31
3.2.1 Zielsetzung der Systemarchitektur-Entwicklung.....................................................31
3.2.2 Innovation durch Funktionsstandardisierung..........................................................32
3.2.3 Funktionen..............................................................................................................33
3.2.4 Typische Konfigurationen .......................................................................................35
3.2.5 Standards für erfolgreiche Logistikprojekte (VDMA & VDI) ....................................37
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3.3 Materialflusssteuerung....................................................................................................38
3.3.1 Einbindung der Materialflusssteuerung in die DV-Ebenen .....................................38
3.3.2 Aufgaben der Materialflusssteuerung.....................................................................39
3.3.2.1 Transportbeauftragung...................................................................................39
3.3.2.2 Belegung von Förderstrecken, Fördermitteln und Puffern .............................40
3.3.2.3 Auswahlmethode Priorität oder First-in-first-out?...........................................42
3.3.2.4 Datenbasis der Materialflusssteuerung..........................................................43
3.3.2.5 Synchronisierung externer Funktionen mit dem Materialfluss........................44
3.3.3 Optimierungspotentiale und deren Grenzen...........................................................44
3.3.3.1 Lastverteilung durch Vorplanung ...................................................................44
3.3.3.2 Optimierte Lagerplatzsuche? .........................................................................45
3.3.4 Grobe Planungsfehler.............................................................................................45
3.3.4.1 Bidirektionale Förderer...................................................................................45
3.3.4.2 Mehrplatzförderer...........................................................................................46
3.4 Begriffe zur Materialflusssteuerung ................................................................................47
3.4.1 Der Transportauftrag ..............................................................................................47
3.4.2 Der Teiltransport (Fahrauftrag)...............................................................................47
3.4.3 Die Zielfindung........................................................................................................47
3.4.4 Die Ressourcennutzung .........................................................................................48
3.4.5 Die Nutzungsoptimierung der Transportinfrastruktur..............................................48
3.4.6 Schnelligkeit gegen Entscheidungskomplexität......................................................48
3.4.7 Das Kommunikationsproblem.................................................................................48
3.4.8 Die UFOs und die Schwarzfahrer...........................................................................49
3.4.9 Das Entscheidungsfindung an einem Anlagenpunkt ..............................................49
3.4.10 Der Fahrauftrag ......................................................................................................49
3.5 Die Funktionsgruppen.....................................................................................................50
3.5.1 F:AS – Anlagensteuerung ......................................................................................50
3.5.2 F:RE – Richtungsentscheidung ..............................................................................50
3.5.3 F:FA – Fahrauftragsverwaltung ..............................................................................50
3.5.4 F:RN – Ressourcennutzung ...................................................................................50
3.5.5 F:TK – Transportkoordination.................................................................................51
3.6 Datenhaltung und Nachrichtenaustausch.......................................................................51
3.6.1 F:AS – Anlagensteuerung ......................................................................................51
3.6.1.1 Daten..............................................................................................................51
3.6.1.2 Nachrichten ....................................................................................................52
3.6.2 F:RE – Richtungsentscheidung ..............................................................................52
3.6.2.1 Daten..............................................................................................................52
3.6.2.2 Nachrichten ....................................................................................................52
3.6.3 F:FA – Fahrauftragsverwaltung ..............................................................................53
3.6.3.1 Daten..............................................................................................................53
3.6.3.2 Nachrichten ....................................................................................................53
3.6.4 F:RN – Ressourcennutzung ...................................................................................54
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3.6.4.1 Daten..............................................................................................................54
3.6.4.2 Nachrichten ....................................................................................................54
3.6.4.3 Downloadsequenz..........................................................................................55
3.6.5 F:TK – Transportkoordination.................................................................................55
3.6.5.1 Daten..............................................................................................................55
3.6.5.2 Nachrichten ....................................................................................................55
3.7 Modellierung von Förderanlagen ....................................................................................56
3.7.1 Förderelement (A:FE).............................................................................................56
3.7.2 Fördergruppe (A:FG) ..............................................................................................56
3.7.3 Fördersegment (A:FS)............................................................................................56
3.7.4 Förderbereich (A:FB)..............................................................................................56
3.7.5 Modell einer Palettenförderanlage..........................................................................57
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3 SPS, SAIL UND MATERIALFLUSSSTEUERUNG
3.1 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)
3.1.1 Grundlagen der SPS Technik
3.1.1.1 Entwicklung
Im Jahre 1968 wurde von der Hydromatic Division der General Motor Corporation das
Konzept einer speicherprogrammierbaren Steuerung ausgearbeitet. Der Grundgedanke
dieses Konzeptes geht darauf zurück, ein flexibles System zu entwickeln, welches eine
festverdrahtete Steuerung wie Relais-, Schütz- und Halbleitersteuerung ersetzen kann.
Dieses freiprogrammierbare System sollte universell und völlig unabhängig von der zu
realisierenden Prozessaufgabe sein.
Wesentliche Vorteile gegenüber den konventionellen Steuerungen sind:
Verschleißfreiheit
kleine Baumaße
Steuerfunktionen sind schnell und einfach änderbar
vereinfachte Fehlerdiagnose
große Leistungsfähigkeit
Heute ersetzen speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) nicht nur die früheren
konventionellen Steuerungen, sondern übernehmen zusätzliche Steuerungsfunktionen und
Diagnoseaufgaben von Einzelmaschinen bis zu komplex verketteten Fertigungssystemen.
Zunehmend werden SPS auch zur Kommunikation in Netzwerken als Datenschnittstelle
(Konzentratoren) zu übergeordneten Rechnersystemen verwendet. Gerade dieser Trend
zur Dezentralisierung in hierarchisch aufgebauten Automatisierungsstrukturen erfordert
eine hohe Anforderung an die zu verarbeitenden Datenmengen und damit an den
Funktionsumfang einer SPS.
3.1.1.2 Definition, Normen
Ein speicherprogrammierbares Steuerungsgerät ist ein elektrisches Betriebsmittel, welches
mit einer anwenderorientierten Programmiersprache, gemäß seiner jeweiligen
Steuerungsaufgabe programmierbar ist. Das Programm kann in einem Programmspeicher
freiprogrammierbar oder austauschprogrammierbar abgelegt werden.
Diese Unterscheidung bezieht sich auf die Art der verwendeten Speicherbausteine einer
SPS. Bei den freiprogrammierbaren Steuerungen ist der Programmspeicher ein Schreib-
Lese-Speicher (RAM), dessen Inhalt durch Verändern oder Hinzufügen von
Programmanweisungen ohne mechanische Eingriffe modifizierbar ist. Verwendet man Nur-
Lese-Speicher (ROM) sind Programmänderungen nur durch Herausnehmen und
Austauschen von Speicherbaugruppen möglich.
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Üblich ist heute die Verwendung von RAM's zur Speicherung des Anwenderprogrammes
und den Einsatz von ROM's, meist spannungsausfallsichere EPROM's, für die
geräteinternen Betriebsfunktionen.
Speichertypen und deren Eigenschaften
Speichertyp Löschen Programmieren Speicherinhalt
RAM
ROM
EPROM
EEPROM
Random Access Memory
Speicher mit wahlfreiem
Zugriff
Schreib-Lese-Speicher
Read Only Memory
Festwertspeicher
Nur-Lese-Speicher
Erasable Programmable
ROM
Löschbarer
Festwertspeicher
Electrical Erasable
Programmable ROM
Elektrisch löschbarer
Festwertspeicher
Tabelle 3.1: Speichertypen und deren Eigenschaften
elektrisch elektrisch
nicht
möglich
durch Masken
beim
Herstellungsprozess
durch UV-
Belichtung elektrisch
elektrisch
flüchtig
bei Stromunterbrechung
nicht flüchtig
bei Stromunterbrechung
Eine Übersicht über die wichtigsten Normen zur SPS bietet die nachfolgende Tabelle:
Übersicht über wichtige Normen zur SPS
Begriffe der Steuerungstechnik DIN 19237
Peripherieschnittstellen elektronischer Steuerungen DIN 19240
Speicherprogrammierbare Steuerungen, Programmierung DIN 19239
Meldung von Betriebszuständen DIN 19235
Schaltzeichen digitale Informationsverarbeitung
DIN 40900
Teil 12
Regeln und graphische Symbole für Funktionspläne
DIN 40719
Teil 6
Begriffe der Informationsverarbeitung DIN 44300
Speicherprogrammierbare Steuerungsgeräte Blatt 1 bis Blatt 5 VDI 2880
Tabelle 3.2: Übersicht über wichtige Normen zur SPS
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3.1.1.3 Steuerungsarten
Die Aufgabe einer elektrischen Steuerung besteht darin, einzelne Vorgänge im
Arbeitsprozess einer Maschine oder Anlage nach einem durch Programmierung
festgelegten Ablauf miteinander zu koordinieren und damit eine Automation eines
Arbeitsprozesses möglich zu machen.
Man unterscheidet hierbei zwischen Verknüpfungs- und Ablaufsteuerungen. Der
wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Steuerungsarten besteht in der Art der
Signalverarbeitung.
Verknüpfungsteuerung
Definition nach DIN 19237
Eine Verknüpfungssteuerung ist eine Steuerung, die den Signalzuständen
der Eingangssignale bestimmte Ausgangssignale im Sinne der Booleschen
Verknüpfungen zuordnet.
Verknüpfungsteuerungen sind dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem beliebigen
Zeitpunkt den Eingangswerten bestimmte Ausgangswerte zugeordnet werden.
Beispiel:
Ein Motor soll vor Überhitzung geschützt werden. Hier wurden die Temperaturüberschreitung
und der Zustand, dass der Motor läuft zu einem Ausgangssignal verknüpft,
welches den Lüfter zur Kühlung einschaltet.
WENN Temperatur > 70° C
UND Motor läuft
DANN Lüfter einschalten
Typische Probleme für die Verknüpfungssteuerung sind solche, bei denen verschiedene
Bedingungen gleichzeitig verarbeitet werden müssen. Weniger für die
Verknüpfungssteuerung geeignet sind Problemstellungen mit einer im Voraus bestimmten
Schrittfolge. Dies ist der Fall, wenn nur ein Schritt berücksichtigt werden soll, während die
anderen uninteressant sind.
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Ablaufsteuerungen
Definition nach DIN 19237
Eine Ablaufsteuerung ist eine Steuerung mit einem zwangsläufig schrittweisen
Ablauf, bei der das Weiterschalten von einem Schritt auf den
programmgemäß folgenden abhängig von Weiterschaltbedingungen erfolgt.
Bei einer Ablaufsteuerung wird ein Problem in Schritte unterteilt und eine Schrittkette
gebildet. Wesentliches Merkmal dabei ist, dass immer nur ein Schritt aktiviert wird bzw.
mehrere Schritte nur dann, wenn diese als mögliche simultane Schritte programmiert sind.
Das Weiterschalten von einem Schritt zum programmgemäß folgenden hängt von
Weiterschaltbedingungen ab. Die Weiterschaltbedingungen können vom Prozess (z. B.
Sensorsignale) oder von einer Zeit (z. B. Wartezeit) abhängig sein.
Weiterschaltbedingungen
Zeitabhängige Weiterschaltbedingungen
Werden dann verwendet, wenn das Erfassen eines Zustandes, d.h. eine Rückmeldung
technisch schwer oder gar nicht zu realisieren ist.
Anmerkung:
Wird eine zeitabhängige Weiterschaltung durch die Vorgabe einer jeweils berechneten Wartezeit zwischen den einzelnen
Programmschritten gewählt, darf nur geringer Schlupf innerhalb der Bewegungsschritte auftreten. Diese Randbedingung
„kein Schlupf oder nur geringer Schlupf“ ist aber in den allermeisten Fällen bei der Steuerung von Transportvorgängen völlig
unrealistisch. Es muss immer gewährleistet sein, dass die SPS alle Prozessänderungen mitbekommt. Deshalb wird die
Prozessgeführte Weiterschaltung bevorzugt eingesetzt.
Prozessgeführte Weiterschaltbedingungen
Sind abhängig von Rückmeldungen, die bestimmte Prozesszustände und die
Ausführungen früher erteilter Befehle signalisieren. Diese Rückmeldungen werden z. B.
durch Sensorsignale realisiert.
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Die Ablaufsteuerung am Beispiel einer Palettenförderanlage
Layout mit Anordnung der Motoren, Endschalter und Sensoren
M 3
M 4
E4 E3
E7
M 5
Drehtisch
E8
Förderrichtung
Rollenbahn
E10
Abb.: Abb. Bild 3.1 4.1.3.1 4.1 Palettenförderanlage
Palettenförderanlage
E6 E5
M1 M2
Verschiebewagen
E2 E1
Bezeichnung Kommentar
E0 Induktionsschleife frei
E1, E4 Endtaster Motor 1 abschalten
E2, E3 Taster Polumschaltung Motor 1 schnell/langsam
E5, E6 Taster für Hubeinrichtung
E7, E8 Taster Stellung des Drehtisches
E9, E10 Lichtschranke Palette vorhanden
M1 Motor 1, Verschiebewagenantrieb
M2 Motor 2, Hubeinrichtungsantrieb
M3 Motor 3, Rollenantrieb Band
M4 Motor 4, Rollenantrieb Drehtisch
M5 Motor 5, Drehtischantrieb
Tabelle 3.3: Ablaufsteuerung: Paletten vom Abstelltisch zum Drehtisch fördern und drehen
E9
Abstelltisch
E0
Induktionsschleifeschleife
Übergabe vom FTS
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Start
Schritt
1
Schritt
2
Schritt
3
Schritt
4
Schritt
5
Schritt
6
E9 = 1 (Palette in Position)
E7 = 1 (Drehtisch in Grundstellung)
E0 = 0 (FTS nicht vorhanden)
E6 = 1 (Hubtisch unten)
A1 = 0 (Motor 1 aus)
S HT hoch 1
E5 = 1 (Hubtisch oben)
S
E1 = 0
E2 = 1 (VW ist angefahren)
S VW schnell 1
E3 = 1 (VW fährt ein)
S
E4 = 1 (VW in Endposition)
S
S
E6 = 1 (VW unten)
VW langsam 1
VW Langsam 1
VW stop
1
HT runter 2
S RB ein
1
S DT-RB ein
2
E10 = 1 (Palette auf Drehtisch)
Schritt
S RB stop
1
7 S DT-RB aus
2
S DT-Antrieb ein 3
E8 = 1 (Drehtisch gedreht 90°)
Schritt
S DT-Antrieb aus 1
8 S DT-RB ein 2
Bil Bild Abb. Abb. d 4.1.3.2 3.2
4.2 Beispiel eines Schrittkettenablaufes
Legende
HT = Hubtisch
VW = Verfahrwagen
RB = Rollenbahn
DT = Drehtisch
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3.1.1.4 Arbeitsweise einer SPS
Der eigentliche Programmablauf beginnt mit dem Einlesen der Eingangssignale in einen
Speicherbereich. Während der Abarbeitung des Programms verwendet die Zentraleinheit
dieses Prozessabbild der Eingänge (PAE). Hierbei werden durch den im Prozessor
enthaltenen Adresszeiger die im Programmspeicher abgelegten Anweisungen
nacheinander abgerufen.
Der Prozessor verarbeitet nun gemäß den Anweisungen die einzelnen Signale und
verknüpft sie gemäß der Booleschen Algebra zu den sich ergebenden Ausgangsbefehlen.
Diese wiederum werden in einen Ausgangsspeicher abgelegt, der das Prozessabbild der
Ausgänge (PAA) widerspiegelt. Am Ende des Programmdurchlaufes veranlasst der
Prozessor die Übertragung der zwischengespeicherten Ergebnisse an die Ausgänge.
Zyklus
Bild Abb. Abb. 4.1.4.1
4.3 3.3
Eingangsabbild
PAE
Programm
Anweisung
Anweisung
Anweisung
Anweisung
Signalgrößen
Stellgrößen
Arbeitsweise der SPS am Beispiel eines Bitprozessors:
1
2
3
n
Aussgangsabbild
PAA
Zyklischer Programmablauf einer SPS
Prozeß
In den Zellen des Programmspeichers (Anwender-Speichermodul) stehen die
Anweisungen, die der Reihe nach vom Prozessor bearbeitet werden. Auf den Zähleingang
des Adresszählers werden von einem Taktgenerator Impulse im Abstand von ca. 2 µs
geschaltet, mit denen die im Zähler stehende Zahl um eins erhöht wird. Jeder im Zähler
stehenden Zahl ist eine Speicherzelle im Programmspeicher zugeordnet.
Erreicht der Zählerstand z. B. die Speicherzelle, in der die Anweisung "U E 1.3" steht, so
wird diese Anweisung in das Befehlsregister übertragen.
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Im Befehlsregister wird die Anweisung in den Operationsteil (U) und in den Adressenteil
(E 1.3) zerlegt (siehe auch Kapitel 3.2.1).
Über die Adresse "E 1.3" werden aus dem Prozessabbild der Eingänge (PAE) die acht
gespeicherten Signalzustände der Eingangsbaugruppe mit der Byte-Adresse 1 in das
Steuerwerk eingelesen. Aus der Operation "UE 1.3" erkennt das Steuerwerk, dass eine
UND - Verknüpfung mit dem Bit 3 gebildet werden muss.
In gleicher Weise wird nach dem nächsten Zählimpuls der Eingang E 1.6 abgefragt. Auf die
Abfrage-Anweisungen der beiden Eingänge E 1.3 und E 1.6 folgt die Anweisung "= A
2.5", mit der Ausgang A 2.5 eingeschaltet werden soll. Der Ausgang wird bzw. bleibt
eingeschaltet, wenn bei der vorangegangenen Abfrage alle "UND" -Eingänge den
Signalzustand "1" haben.
Wie bei den Eingängen werden die Ausgänge nicht sofort angesteuert, wenn eine
Anweisung bearbeitet wird. Der neue Ausgangszustand wird zunächst im
Prozessabbildspeicher der Ausgänge (PAA) gespeichert. Dabei ist jedem Eingang und
Ausgang ein Speicherelement zugeordnet.
Am Ende aller Programmanweisungen steht im Anwenderprogramm die Anweisung "PE"
(Programmende). Wenn diese Anweisung bearbeitet wird, veranlasst das Steuerwerk, dass
in der Reihenfolge der Byteadressen nacheinander die im Prozessabbild gespeicherten
Signalzustände der Ausgänge an die einzelnen Ausgangsgruppen zu übertragen und auch
dort solange zu speichern sind, bis das nächste PAA übertragen wird.
Dabei werden die Byteadressen vom Prozessabbild direkt auf den Adressbus geschaltet.
Das Datenwort mit den Signalzuständen für die acht Ausgänge der betreffenden
Ausgangsgruppe holt sich das Steuerwerk aus dem Prozessabbild und gibt es über den
Datenbus an die adressierte Ausgangsbaugruppe weiter.
Vor Beginn eines neuen Bearbeitungszyklusses wird in umgekehrter Richtung das
Prozessabbild der Eingänge (PAE) aktualisiert. Dabei werden die Signalzustände der
Eingänge in das PAE übertragen.
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Signalverarbeitung Bitprozessor
Programmspeicher
+1
Adresszähler
Datenbus
Adressbus
U E 1.3
U E 1.6
= A 2.5
PE
Eingangskarten
3.1.1.5 Zykluszeit einer SPS
Steuerwerk
Abb. Abb.4.4 Bild 4.5 4.1.4.2 4.1 .4.2 Signalverarbeitung Bitprozessor
Abb. 3.4
Befehlsregister
U E 1.3
PAA
PAE
Ausgangskarten
Das serielle Abarbeiten der Anweisungen hat zur Folge, dass eine gewisse Zeit vergeht bis
der Adresszeiger das gesamte Programm bis zum Programmende durchlaufen hat und mit
dem Einlesen des PAE wieder von vorne beginnt. Dieser Zeitbedarf für die Bearbeitung
des Programms wird als Zykluszeit der SPS bezeichnet und ist von der Länge des
Programms und der Mikroprozessor-Taktfrequenz des verwendeten Prozessortyps
abhängig. Die Zykluszeit ist neben dem Funktionsvorrat ein Leistungsmerkmal einer SPS-
Anlage und wird in Millisekunden pro 1K (1024 Binäranweisungen) angegeben.
Dies bedeutet, dass der Prozessor nicht mit den realen Ein- und Ausgängen arbeitet,
sondern nur mit Kopien der Signalzustände, die zu Anfang bzw. am Ende eines
Bearbeitungszyklusses aktualisiert werden. Praktisch heißt dies, dass ein angeschlossener
Sensor nicht ständig, sondern - abhängig von der Zykluszeit - nur zu bestimmten
Zeitpunkten abgefragt wird. Muss der Prozess auf ein Signal möglichst ohne Verzögerung
reagieren, müssen besondere Maßnahmen wie zum Beispiel Interrupt-Programmierung mit
eingebaut werden. Ist es erforderlich ein Signal zu erfassen, das kürzer als die Zykluszeit
des Programms ist, kann man auch speichernde Eingangskarten verwenden, die den
Signalimpuls noch eine bestimmte Zeit aufrecht erhalten. Hat zum Beispiel eine SPS eine
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Zykluszeit von 20 ms/1K Anweisungen und das Programm ist 5 KByte lang, wird im
Zeitintervall von ca. 100 ms das PAE aktualisiert. Ist nun ein Signalimpuls kürzer als 100
ms und liegt genau im Zeitintervall zwischen Einlesen und Auslesen, wird dieses Signal
nicht erfasst.
Anmerkung:
Aufgrund der Entwicklungen in der SPS-Technik in den letzten fünf Jahren, besonders in dem Einsatzgebiet von
Multiprozessoren innerhalb einer SPS, sind die Zykluszeiten so schnell geworden, dass hier nur noch Probleme bei kritischen
Programmen auftreten. Die von den SPS-Herstellern angegebenen Zykluszeiten sind allerdings immer nur
Durchschnittswerte und können nicht als völlig verbindlich angesehen werden. So hat beispielsweise die Programmstruktur
einen Einfluss auf die Zykluszeit. Gerade die Wortverarbeitung, Anwendung von Sprungbefehlen oder auch der Einsatz von
Interrupts beeinflussen die Programmzykluszeit. Es liegt also auch im Einflussbereich des Programmierers, wie die
Programmbearbeitung verzögert oder beschleunigt werden kann. Weiter sollte jedoch auch beachtet werden, dass nicht
immer die multiprozessorfähige und speichergigantische High-End-SPS die sinnvollste Lösung ist.
3.1.1.6 Wort- und Bitverarbeitung
Bei Aufgaben der Steuer- und Regeltechnik müssen neben logischen binären Zuständen
wie "1" oder "0" auch Sonderfunktionen wie Zeit-, Zähl- oder Messwertdaten als Datenwort
verarbeitet werden. Deshalb wird unterschieden in Bitverarbeitung und Wortverarbeitung.
Bitverarbeitung
Verarbeitung von rein binären Zuständen
nur Abfrage auf "0" oder "1" (Signal vorhanden/nicht vorhanden)
schnelle Bearbeitungszeiten möglich
Wortverarbeitung
Verarbeitung von numerischen Daten (Erfassung von Zahlenwerten)
Durchführen von Rechenoperationen und Regeln
aufwendiger und langsamer als Bitverarbeitung
Anmerkung:
Im Gegensatz zu früher werden von den meisten SPS-Herstellern nur noch Steuerungen hergestellt, die sowohl für Wort- als
auch für Bitverarbeitung geeignet sind. Diese SPS waren im Vergleich zu reinen Bit-verarbeitenden Steuerungen anfangs
recht langsam (Zykluszeiten von 1 ms sind für Bitprozessoren kein Problem). Durch die Verwendung von mehreren
Prozessoren innerhalb einer SPS kann man heute die Vorteile beider Verarbeitungsarten verbinden. Dies geschieht dadurch,
dass die Bitverarbeitung von speziellen Bitprozessoren und die Wortverarbeitung von Wortprozessoren übernommen wird.
Dabei erfolgt die Aufteilung automatisch durch den Koordinator, muss also nicht im Anwenderprogramm festgelegt werden
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3.1.1.7 Interruptbearbeitung
Ein Interrupt wird durch eine digitale Einbaugruppe erzeugt. Die Interruptanforderung wird
dem Prozessor über eine Interruptleitung signalisiert. Sie kann verwendet werden, wenn
die Reaktion auf ein oder mehrere Ereignisse mit höherer Priorität schneller erfolgen muss,
als eine Reaktion auf andere Ereignisse. Zur Bearbeitung eines Interrupts wird die
zyklische Programmbearbeitung unterbrochen und das in einem speziellen
Organisationsbaustein hinterlegte Interruptprogramm aufgerufen.
3.1.2 Hardwareaufbau
Aufgrund des großen Einsatzbereiches von speicherprogrammierbaren Steuerungen gibt
es ein entsprechend breites Spektrum an angebotener Hardware. Prinzipiell unterscheidet
man zwischen kompakten Kleinsteuerungen und meist modular aufgebauten Steuerungen
der mittleren und oberen Leistungsklasse. Die Kompaktsteuerungen werden für kleinere
Funktionsumfänge eingesetzt, sind preisgünstiger und in ihren Abmaßen kleiner. Die
modular aufgebauten Steuerungen lassen sich je nach geforderter Aufgabenstellung
konfigurieren.
Eine modular aufgebaute SPS besteht aus verschiedenen Baugruppen, die jeweils in einen
Baugruppenträger-Slot gesteckt werden. Die Kommunikation, d.h. der Datentransfer,
erfolgt über den im Baugruppenträger integrierten Systembus.
Folgende Baugruppen befinden sich auf dem Träger :
Netzteil
Zentraleinheit
Speicherbaugruppen
Eingangs-/Ausgangs-Baugruppen
Sonderbaugruppen
Netzteil
Die Netzteilbaugruppe liefert die interne Versorgungsspannung für die einzelnen
Komponenten. Dabei ist das Netzteil nur für die Stromversorgung der Steuerung und nicht
für die Signal- und Stellglieder ausgelegt. Als Sicherung werden die Spannungen dabei
ständig auf Über- und Unterspannung überwacht. Spricht die Überwachung an, so wird das
Netzteil abgeschaltet und alle Ausgänge werden auf "0" gesetzt.
Zentraleinheit
Die Zentraleinheit der SPS ist das Kernstück der Steuerung. Sie enthält einen bzw.
mehrere Mikroprozessoren, die mit Hilfe des Betriebssystems die Anweisungen des
Anwenderprogramms ausführt. Unterscheidungsmerkmale von verschiedenen
Zentraleinheiten ergeben sich aus dem Funktionsumfang und dem Befehlsvorrat, aber
auch durch die interne Programmbearbeitung.
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Wird mehr als ein Prozessor verwendet, ist ein Koordinator notwendig. Er teilt jedem
Zentralprozessor zyklisch den Zugriff auf den Gerätebus zu (time sharing). Über einen
Koppelspeicher im Koordinator können die Zentralprozessoren untereinander Daten
austauschen.
Die Zentraleinheit besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten
PG-Schnittstelle, dient zum Anschluss eines Programmiergerätes (PG)
CPU-Prozessor
Koordinator (Multiprozessorbetrieb)
Speicher für Betriebssystem (EPROM) und Anwendungsprogramm (RAM)
Auf der Frontseite befinden sich zusätzlich noch LEDs, die Betriebszustände der SPS
(STOP, EIN usw.) anzeigen und eine digitale Anzeige für Fehlercodes
Speicherkarten
Zu den in der Zentraleinheit befindlichen Speichern gibt es zusätzliche Speicherkarten als
separate Baugruppen. Sie dienen der Speicherung großer Datenmengen, die nicht ständig
im Arbeitsspeicher der Zentraleinheit benötigt werden (z.B. Rezepturen,
Anwenderprogramme usw.). In der Regel werden RAMs, Magnetblasenspeicher oder
Festplatten als Speichermedien verwendet. Der RAM Speicher muss durch eine
Pufferbatterie gegen einen Datenverlust der Steuerung gesichert werden.
Ein- und Ausgangsbaugruppen
Die Ein- und Ausgangsbaugruppen bilden die Schnittstelle zwischen dem Rechenwerk
einer SPS und der eigentlichen Anlage. An die Eingangsbaugruppen werden Signalglieder
wie Schalter, Sensoren, Lichtschranken oder auch Messsysteme angeschlossen. An den
Ausgangskarten liegen sämtliche Stellglieder wie Aktoren und Signallampen.
Diese Baugruppen dienen zur Aufbereitung der von den Signalgliedern kommenden
Signale bzw. zur Weitergabe der Ausgangssignale an die Stellglieder. Die internen und
externen Stromkreise werden hierbei über Opto-Koppler galvanisch getrennt, um Stör- und
Überspannungen abzufangen.
Eine Baugruppe hat in der Regel 8, 16, 24 oder 32 Anschlüsse, die zwecks Adressierung
immer zu je acht (1 Byte) zusammengefasst sind. Eine Erweiterung ist bei modularen SPS
durch das Hinzufügen weiterer Karten bis zu der vom System zugelassenen Anzahl
möglich. Zur besseren visuellen Störungs-Diagnose ist zu jedem Anschluss eine
Leuchtdiode vorgesehen, die den jeweiligen Zustand "1" oder "0" anzeigt. So bedeutet zum
Beispiel die Abkürzung E 12.3 einer Eingangsbaugruppe, dass hiermit das Bit 3 des
zwölften Datenbytes gemeint ist. Liegt hier ein Signal "1" an (+ 24V) so leuchtet dessen
LED zur Kontrolle.
Wurden früher nur binäre Zustände erfasst, so ist es heute auch möglich, die Bearbeitung
analoger Prozesssignale mit analogen Ein- bzw. Ausgangsbaugruppen zu realisieren.
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Dabei ist das Kernstück einer solchen Baugruppe ein Analog-/Digital-Wandler, welcher die
analogen Messwerte digitalisiert und an die CPU weitergibt.
Sonderbaugruppen
Sonderbaugruppen, die auch „intelligente" Peripheriebaugruppen genannt werden,
übernehmen zusätzliche Kommunikations- oder Automatisierungsaufgaben. Außer einem
eigenen Prozessor enthalten Sonderbaugruppen noch einen internen Speicher und ein
eigenes Betriebssystem, um die Zentralprozessoren durch signalvorverarbeitende
Maßnahmen zu entlasten.
Die Aufgaben solcher Baugruppen sind z. B. Wegerfassung, Positionierung,
Antriebssteuerung sowie Regelungen und Kommunikationen aller Art.
Beispiele:
Kommunikationsprozessoren
schnelle Zählerbaugruppen
Positionierbaugruppen (NC-Achsen)
intelligente Sensorsysteme (Bildverarbeitung)
Messdatenerfassung und Vorverarbeitung
Vorteile von Sonderbaugruppen:
1. Entlastung der Zentral-CPU von zeitaufwendigen Operationen
2. Zusammenfassung von Funktionsblöcken
3. Vereinfachung des Gesamtsystems, da komplette Baugruppen ausgetauscht werden
können
3.1.3 Programmierstruktur einer speicherprogrammierbaren Steuerung
Das Steuerungsprogramm einer SPS wird zur übersichtlicheren Programmierung in
einzelne, in sich abgeschlossene Programmabschnitte (Bausteine) eingeteilt. Dies
ermöglicht eine einfache und übersichtliche Programmierung auch umfangreicherer
Programme. Außerdem ist die Möglichkeit zur Standardisierung von Programmteilen mit
Hilfe von Funktionsbausteinen gegeben. Ein Anwenderprogramm kann in vier
Bausteintypen für die unterschiedlichsten Aufgaben gegliedert werden.
Organisationsbaustein (OB)
Programmbaustein (PB)
Funktionsbaustein (FB)
Datenbaustein (DB)
In der Programmorganisation wird festgelegt, ob und in welcher Reihenfolge die
Programm- und Funktionsbausteine (bedingt oder unbedingt) aufgerufen werden.
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IT für Intralogistiksysteme
Diese Organisationsbausteine werden je nach Betriebszustand (zyklisch, Interrupt, Anlauf,
Zeitbearbeitung) vom Betriebssystem aktiviert. Mit Hilfe von Programmbausteinen wird ein
Steuerungsproblem in mehrere kleinere Teilabläufe zerlegt und ebenfalls durch Aufruf von
weiteren Funktions- und Programmbausteinen zu einer strukturierten Steuerungsaufgabe
zusammengesetzt. Bei dieser Art der Strukturierung werden die verschiedenen
Bausteintypen auch mit Ebenen assoziiert. So bilden die Organisationsbausteine die erste,
die Programm- und Funktionsbausteine die zweite Ebene.
Datenbausteine enthalten zusammengefasste Datenmengen, die in Zwischenpuffern
abgelegt sind und durch Aufruf im Anwenderprogramm weiterverarbeitet werden. Solche
Daten können feste oder variable Daten, Texte und Meldungen sein. Der Zugriff auf einen
Datenbaustein bewirkt keine Programmunterbrechung.
Unterscheidung Programmbaustein und Funktionsbaustein
FB's weisen gegenüber PB's drei wesentliche Unterschiede auf:
FB's besitzen gegenüber PB's einen erweiterten Operationsvorrat
Der Aufruf eines FB's erfolgt als „black box" mit formalen Operanden
FB's enthalten im wesentlichen Unterprogramme, die nur einmal im gesamten
Programm vorhanden sind, jedoch von mehreren PB's aufgerufen und mit aktuellen
Operanden abgearbeitet werden (parametrierbar)
Ein Funktionsbaustein besteht aus einem Bausteinkopf und dem Bausteinrumpf. Der
Bausteinkopf enthält alle Angaben für das Programmiergerät zur graphischen Darstellung
des Bausteines und eine Liste der verwendeten Operanden. Im Rumpf ist das eigentliche
Programm des Bausteines abgelegt. Hierbei werden die Operanden in einer
Anweisungsliste miteinander verknüpft. Die Operanden können dabei Eingabe-, Ausgabe-,
Zeit-, Merkeradressen oder Datenwörter beschreiben.
Funktionsbaustein FB 200 Vereinbarungsteil
Name: Test
Bez: Taste E /A /D /B /T / Z : E B /BY /W / D : B
Bez: Sensor : E : B
Bez: Motor_Ein : A : B
Anweisungsliste
U -Taste
U -Sensor
= -Motor_Ein
.
.
.
BE Bausteinende
Kommentarzeile
Abb. 3.5: Beispiel für einen Funktionsbaustein
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Auswirkungen auf die Zykluszeit bei Verwendung von Funktionsbausteinen
1. Für das Kopieren der aktuellen Werte in die Parameter und für den
Unterprogrammsprung in den Funktionsbaustein wird Rechenzeit vom Prozessor
benötigt. Diese Rechenzeit wird auf die Bearbeitungszeit des Anwenderprogramms
addiert und erhöht die Zykluszeit.
2. Bedingte Aufrufe von Funktionsbausteinen können ebenfalls zu einer unregelmäßigen
Erhöhung der Zykluszeit führen. Dies bedeutet, dass in einem Zyklus der
Funktionsbaustein nicht bearbeitet wird, wenn die Bedingung nicht erfüllt ist. Im
nächsten Zyklus ist die Bedingung erfüllt, der Funktionsbaustein wird bearbeitet. Sind
in einem größeren Programm viele bedingte Bausteinaufrufe, kann es zu einer
Überschreitung der maximal zulässigen Zykluszeit kommen.
Dieser Funktionsbaustein wird als selbständiger Programmteil in einen Organisations- oder
Programmbaustein eingesetzt. Der Aufruf des Funktionsbausteines FB 200 im PB 30
erfolgt durch die Anweisung "SPA -FB 200" (siehe Abbildung 3.6). Die Parameterliste mit
den zur Bearbeitung notwendigen aktuellen Parametern folgt nach dem Aufruf (P0, P1...).
Bei der Bearbeitung des Funktionsbausteines werden die Parameter im Funktionsbaustein
durch die aktuellen Parameter des Programmbausteines ersetzt. Im Vereinbarungsteil des
FB 200 stehen die Parameter-Bezeichnungen, die Parameter für die Eingabe (E) und
Ausgabe (A) sowie Bit (B)- oder Byte (BY)- Information.
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OB 1
SPA -PB 30
PE
PB 30
SPA -FB 200 ,3
> P0
> P1
> P2
SPA -FB 300
Abb. 3.6: Beispiel für den Zusammenhang zwischen den einzelnen SPS-Bausteinen
BE
Bei diesem sehr einfachen Beispiel steht als erste Anweisung im Programmspeicher des
Automatisierungsgerätes im OB 1 ein Sprung (SPA) in den Programmbaustein PB 30.
Der PB 30 enthält nun selbst wieder eine Sprunganweisung (SPA) in den
Funktionsbaustein (FB 200) und zusätzlich die aktuelle Parameterliste für die Bearbeitung
des FB 200. Nach Ausführung des FB 200 erfolgt der Rücksprung in den PB 30, wobei die
nächsten Anweisungen abgearbeitet werden. Ein erneuter Sprung in den FB 200 ist dann
nur mit einer aktualisierten Parameterliste möglich.
Dieses Beispiel beschreibt einen häufig in der Fördertechnik auftretenden Funktionsablauf.
Bei der Beförderung von Packstücken treten immer wieder dieselben Einschleusvorgänge,
Hub- und Drehbewegungen auf. Hierfür wird nur einmal ein Funktionsbaustein
programmiert und im Speicher abgelegt.
Die wiederholte Verwendung im Programm erfolgt durch Aufruf des Funktionsbausteines
mit den dazugehörigen aktuellen Parametern. Dadurch kann der Softwareaufwand
bedeutend verringert und die Übersichtlichkeit wesentlich erhöht werden.
3.1.3.1 Grundelemente eines SPS-Programms
FB 200
Um ein SPS-Programm zu erstellen ist es notwendig, sich außer mit der Sprache und der
Programmstruktur auch mit den SPS-Progammierelementen vertraut zu machen. Diese
Elemente sind unabhängig von der angewandten Sprache, welche die Elemente
miteinander verknüpft und diese dem Programmierer in der gewünschten Form darstellt.
Test
Bez: Taste
Bez: Sensor
Bez: Motor_Ein
U -Taste
U -Sensor
= -Motor_Ein
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BE

IT für Intralogistiksysteme
Eingänge
Ein Eingang ist die Bezeichnung für die Anschlussstellen der Eingangsbaugruppen. An den Eingängen
werden die Signalglieder angeschlossen. Sämtliche Eingänge werden von der Zentraleinheit zu Beginn
eines Programmzyklusses auf ihr logisches Spannungspotential hin abgefragt (Bildung des PAE). Dabei
wird bei den einzelnen Eingängen nur zwischen HIGH (= 24 Volt) und LOW (= 0 Volt) unterschieden.
Ausgänge
Ein Ausgang ist die Bezeichnung für die Anschlussstelle der Ausgangsbaugruppen. An den Ausgängen
werden die Stellglieder angeschlossen. Wie bei den Eingängen wird auch hier zwischen HIGH und LOW
unterschieden. Ist ein Ausgang auf HIGH = 1, wird der Steuerstromkreis zu dem an diesem Ausgang
angeschlossenen Stellglied geschlossen, womit dieses Stellglied aktiviert wird.
Merker
Ein Merker ist eine einzelne Speicherzelle, die den logischen Zustand "1" oder "0" haben kann. Merker
werden in der SPS als Hilfsvariablen zur Speicherung von Verknüpfungsergebnissen oder zu
Verriegelungen verwendet.
Zähler
Ein Zähler kann in der SPS mit einem bestimmten Wert geladen werden und dann abhängig von einem
Verknüpfungsergebnis auf- oder abwärtszählen. Zähler finden Anwendung um Mengen, Wiederholvorgänge
oder Zyklusdurchläufe zu erfassen. Ein Zähler wird auf seinen logischen Zustand hin abgefragt. Wird ein
Zähler mit einem festgelegten Wert geladen, liefert er bei einer Abfrage seines logischen Zustandes eine
"1", bis dieser Zähler den Wert 0 erreicht hat. Sobald der Zähler abgelaufen ist, stellt sich eine logische "0"
ein. Zähler können in heute gebräuchlichen SPS-Anlagen mit den Zahlenwerten 0 bis 9999 geladen
werden.
Timer
Ein Timer ist ein programmierbares Zeitglied, das mit einem Zeitwert geladen wird. Die meisten Timer
lassen sich auf fünf verschiedene Zeitablaufbedingungen voreinstellen:
einschaltverzögernd
abfallverzögernd
Impuls
speichernder Impuls
speichernd einschaltverzögernd
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3.1.4 Programmiersprachen
3.1.4.1 Steueranweisungen
Jede Steuerungsaufgabe muss durch eine Programmiersprache interpretiert werden.
Dabei lässt sich der gesamte Prozessablauf in kleinste logische Einheiten gliedern. Eine
solche Einheit kann ein Bedingungs- oder ein Ausführungselement sein. Ein Element wird
in der SPS-Technik als Steueranweisung bezeichnet und lässt sich noch einmal in den
Operations- und den Operandenteil unterteilen.
Eine Steueranweisung ist folgendermaßen aufgebaut:
Steueranweisung =
Operationsteil + Operandenteil
Dabei beschreibt der Operationsteil den Operanden und gibt an, was der Prozessor tun
soll.
Der Operandenteil besteht aus einem Kennzeichen und einem Parameter. Weiterhin
enthält er die für die Ausführung der Operation notwendigen Angaben. So beschreibt er,
womit der Prozessor etwas tun soll. Das Kennzeichen gibt den Typ (z. B. E für Eingang)
und der Parameter die Adresse (z. B. 12.3) des Operanden an.
Operation: UND (U) , ODER (O) , NICHT (UN, ON), SETZE (S),
RÜCKSETZE (R) usw.
Kennzeichen: Merker (M), Eingänge (E), Ausgänge (A), Zeiten (T), Zähler (Z)
Parameter : numerische Adresse 1.0, 1.3, usw.
Diese Steuerungsanweisungen werden nun in der Regel 1:1 in den jeweiligen
Maschinencode der SPS übersetzt. Die Darstellungsarten für solche Steueranweisungen
nennt man SPS-Programmiersprachen.
3.1.4.2 AWL, KOP und FUP
Nach DIN 19239 sind die drei Grundsprachen der SPS-Technik die Anweisungsliste
(AWL), der Kontaktplan (KOP) und der Funktionsplan (FUP).
Die Anweisungsliste ist die gebräuchlichste Steuerungssprache, da sie rein funktionell am
besten alle Operationen wie z. B. Vergleiche, Transfer-, Lade-, und Wandeloperationen,
Sprünge, Schieberegister, Flankenerkennung usw. verwirklichen kann. Auch ist die AWL
eine Art auf Steuerungsprobleme zugeschnittene Assemblersprache, die der Arbeitsweise
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des SPS-Prozessors am nächsten kommt. Durch die Verwendung symbolischer Namen
wie z. B. MOTOR, GREIFER, SENSOR1 usw. anstatt des Operanden (E 1.2 oder A 3.7)
wird die Programmierung und die Lesbarkeit des Programms erleichtert.
Die erste graphische Programmiersprache war der Kontaktplan. Da früher die Verdrahtung
von Relaissteuerungen nach Stromlaufplänen ausgeführt wurde, lag es nahe, eine ähnliche
Darstellungsart für die speicherprogrammierbaren Steuerungen zu entwickeln. Die
graphische Darstellung der Steueranweisung im Kontaktplan ermöglicht schnell einen
logischen Überblick über die einzelnen Programmschritte.
Der Funktionsplan ist eine weitere graphische Darstellungsart der Steueranweisungen und
wurde hauptsächlich von den Anwendern elektronischer Steuerungen entwickelt.
Da die Verwendung einer der dargestellten SPS-Sprachen individuell von den
Vorkenntnissen des jeweiligen Anwenders abhängt, bieten die meisten SPS-Hersteller die
Möglichkeit der schnellen Programmkonvertierung an. Das heißt, dass z. B. ein in AWL
geschriebenes Programm innerhalb von Sekunden in einen KOP oder FUP umgewandelt
werden kann.
Anmerkung:
Auf die Schaffung einer einheitlichen Programmiersprache bei speicherprogrammierbaren Steuerungen wurde verzichtet. Die
in der DIN 19239 festgelegten Sprachen unterscheiden sich von Hersteller zu Hersteller in Art und Umfang. Aus der Sicht der
jeweiligen Entwicklung der Hersteller war dies sicherlich richtig (Produkttreue), aber vom Standpunkt des Anwenders, der
Instandhaltung und Kompatibilität betrachtet, ist dies eine weniger erfreuliche Tatsache.
3.1.4.3 SPS-Programmiersprachen für Steuerung und Datenverarbeitung
Im vorangegangenen Kapitel wurden zwei wesentliche Anforderungen an
speicherprogrammierbare Steuerungen gestellt:
3. Steuerungsaufgaben in Anwenderprogrammen abzubilden, die in einer leicht
verständlichen und einfach zu lernenden Programmiersprache geschrieben sind.
4. Datenverarbeitungsaufgaben möglichst effizient einzubinden.
Mit weiterentwickelten SPS werden Steuerungsaufgaben wie bisher realisiert und die
Datenverarbeitung getrennt davon in einer höheren Programmiersprache (z. B. "C")
problemorientiert durchgeführt.
Als Beispiel sei "Step 5" (Siemens), eine Programmiersprache für die
Anwenderprogramme der von Siemens entwickelten Simatic-S5-Automatisierungssysteme,
erwähnt. "Step 5" kennt drei verschiedene Darstellungsarten, mit denen die
Steuerungsaufgaben gelöst werden: den Kontaktplan, den Funktionsplan und die
Anweisungsliste.
Immer wenn es um die schnelle Verarbeitung von Binärsignalen geht, ist eine
maschinennahe Sprache wie etwa "Step 5" von Vorteil, da mit dieser Assemblersprache
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ein kurzer und damit schneller Code erzeugt werden kann. Zur Verdeutlichung soll ein
kleines Beispiel dienen.
Die Aufgabe heißt:
Das Ventil V (angeschlossen am Ausgang A 0.0 der SPS) soll geschaltet werden, wenn
der Taster (angeschlossen am Eingang E 0.0) gedrückt wird und ein Überwachungssensor
S (angeschlossen an E 0.1) nicht anspricht.
Allgemein ergibt sich folgende Formulierung:
Wenn T = 1 und S = 0 dann V = 1
In "Step 5" wurde das Problem in Form einer Anweisungsliste so dargestellt:
U E 0.0
UN E 0.1
S A 0.0
In "Step 5" entspricht der Quellcode dem Code, der vom Prozessor ausführbar ist.
Das in einer Hochsprache (S5C) formulierte Programm muss erst in die Maschinensprache
übersetzt werden. In Bild 4.4.3.1 sind die Unterschiede klar zu erkennen. Der vom
Compiler bei der Übersetzung erzeugte Code ist wesentlich länger.
IT für Intralogistiksysteme Prof. Dr.-Ing. Frank Thomas Seite 24

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Steuerung einer Maschine
Assemblerprogrammierung (Step5 AWL)
Hochsprache (S5C)
if (Eingang(0)(0) && !Eingang(0)(1)) Ausgang(0)(0) = 1
LKB 0
LKB 0
SLW 8
OW
TRW +5
LKB 0
LKB 1
SLW 8
OW
TRW +7
UE 0.0
SPS
Taster
Sensor
LKB 1
SPB=+2
LKB 0
LKB 1
XOW
TRW +5
LRW +5
TDW 61
BDW 61
UE 0.0
LKB 1
Abb. 3.7: Steuerung einer Maschine
U
UN
S
E 0.0
E 0.1
E 0.0
E 0.1
A 0.0
SPB=+2
LKB 0
LRW +9
UW
TRW +7
LKB 0
>< F
SPB=+3
SPR +16
LKB 0
LKB 0
A 0.0
Ventil
SLW 8
OW
TRW +5
LKB 1
TDW 53
UD 53,0
LRW +5
TDW 61
BDW 61
= A 0.0
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Umsetzung eines C-Programmes in "Step 5" mit S5C
Das in der höheren Programmiersprache "C" erstellte Programm wird zusammen mit den
Include-Dateien vom Compiler zum sogenannten Objektcode verarbeitet. Die Include-
Dateien enthalten z. B. Definitionen von Konstanten und Unterprogrammen. Das Auslagern
von Konstanten und Unterprogrammen in separate Dateien ermöglicht eine übersichtliche
Programmstrukturierung.
Der Compiler ist der Übersetzer, der das Programm von der höheren Programmiersprache
in Befehle der Maschinensprache umsetzt. Dieser übersetzte Code enthält die
Programminformationen in einer vom Prozessor der SPS verarbeitbaren Form, wobei noch
nicht festgelegt ist, wie das Programm im Programmspeicher der SPS abgelegt wird.
Außerdem gibt es offene Referenzen auf Funktionen, die noch hinzugefügt werden
müssen.
Diese Funktionen sind in einer oder mehreren Bibliotheken hinterlegt.
Die Bibliotheken enthalten z. B.
Zeit- und Datumsfunktionen
Stringfunktionen Kopieren oder Vergleichen
(z. B. Scannerlesungen in ASCII-Zeichen)
Konvertierungsfunktionen (Umwandlung von ASCII-Strings in Zahlenformate)
Funktionen zur Erzeugung von dynamischen Speicherplätzen
Dynamische Speicherplatzverwaltung
Es handelt sich um Funktionen, die allgemein genutzt werden können. Sie liegen im
Objektcode vor. Dabei zeigt sich ein großer Vorteil bei der Verwendung von höheren
Programmiersprachen. Mit Blick auf die, auch bei der SPS-Programmierung mögliche
objektorientierte Programmierung, lassen sich Module schreiben, die nach
entsprechendem Test als fertige Programmteile in der Bibliothek vorhanden sind.
Derjenige, der diese Bibliotheksfunktionen benutzt, muss sich nur über die Wirkungsweise
der Eingangs- und Ausgangsgrößen der Funktionen informieren.
Diese Funktionen werden vom Linker (deutsch: „Binder") zum Programm hinzugefügt und
das gesamte Programm wird so bearbeitet, dass es im Programmspeicher der SPS
abgelegt werden kann. Bei dem S5C-Linker geschieht dies auf eine sehr spezielle Art und
Weise. Das Programm wird auf Funktions- und Datenbausteine verteilt. Funktions- und
Datenbausteine sind in Step 5 vereinbarte Programmelemente. Dies bedeutet, dass das
fertig gebundene C-Programm ohne Einschränkungen in die normale SPS-Umgebung
einfügt werden kann. Jetzt wird der große Vorteil sichtbar: Es wird kein spezieller
Prozessor benötigt und die in einer höheren Programmiersprache geschriebenen
Programmteile lassen sich in die in Step 5 erstellten Steuerungsfunktionen einbinden.
Die eingangs genannten Anforderungen an eine SPS, sowohl Steuerungs- als auch
Datenverarbeitungsaufgaben bewältigen zu können, werden durch den Einsatz der für die
jeweilige Teilaufgabe optimalen Programmiersprache "Step 5" bzw. "C" erfüllt.
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IT für Intralogistiksysteme
Umsetzen eines C-Programmes in STEP5 mit S5C
FB x
C-Programm
Compiler
Objekt-Code
Linker
FB x+1
FB x+n
DB y
Stack +
lokale
variablen
Include-Dateien
Bibliotheken
DB y+1
DB y+2
DB y+m
Abb. 3.8 Umsetzen eines C-Programmes in STEP 5 mit S5C
Bibliotheken
3.1.4.4 Kommunikationsprozessoren für speicherprogrammierbare Steuerungen
Kommunikationsprozessoren werden benötigt zur Kommunikation einzelner SPS über
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen oder es werden mit Hilfe von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
hierarchisch gegliederte Materialflusssteuerungen aufgebaut. Bei umfangreichen
Kommunikationsaufgaben werden zwischen einzelnen Geräten und Systemen über eine
einzige Datenleitung (Bussystem) Informationen ausgetauscht.
Dementsprechend enthalten die Kommunikationsprozessoren einen eigenen
Mikroprozessor, ein Speichermodul (RAM) als Arbeitsspeicher, Dual-Port-RAM,
Schnittstellenbausteine, Datum und Uhrzeitgeber, serielle Schnittstellen oder für die
Ankopplung an Bussysteme eine Ethernet-Busschnittstelle.
An den Kommunikationsprozessor können z. B. angeschlossen werden:
andere Automatisierungsgeräte
übergeordnete Rechner
Drucker / Datensichtgeräte
Barcodelesegeräte
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Zwischen dem Kommunikationsprozessor und anderen Rechnersystemen kann
folgendermaßen kommuniziert werden:
A) Punkt-zu-Punkt Verbindung
Der Kommunikationsprozessor besitzt für die Ankopplung von Fremdrechnern zwei
voneinander unabhängige Schnittstellen, die als V.24 oder als 20 mA-Linienstrom (TTY)
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen betrieben werden.
Die Übertragungsgeschwindigkeit der Schnittstellen beträgt 50 Baud 1 bis 19200 Baud und
ist mit dem Programmiergerät einstellbar. Die Summe beider
Übertragungsgeschwindigkeiten beträgt maximal 19200 Baud.
Die Kopplung zu anderen Rechnersystemen erfolgt mit dem standardisierten
Übertragungsprotokoll 3964R, welches eine gesicherte Datenübertragung gewährleistet
(Blockwiederholung, Initialisierungskonflikt).
B) Busschnittstellen für den Anschluss an Ethernet-Transceiver
Die Steuerung des Datenverkehrs über den Bus erfolgt mittels Parameter, die in einem
Speichermodul (RAM oder EPROM) auf dem Kommunikationsprozessor hinterlegt sind.
Diese Parameter beschreiben die logischen Kommunikationsverbindungen zwischen den
einzelnen Busteilnehmern. Über die Busschnittstelle erfolgt der Anschluss an den Ethernet-
Transceiver mit 10 MBit/s.
Dual-Port-RAM
Das Dual-Port-RAM befindet sich auf dem Kommunikationsprozessor und ist vergleichbar
mit einem Briefkasten. In diesem Briefkasten können sich der Kommunikationsprozessor
und der Zentralprozessor der SPS gegenseitig Nachrichten (Daten, Anforderungen etc.)
hinterlegen.
Der Zentralprozessor der SPS hat immer die Initiative beim Datenaustausch. Der
Kommunikationsprozessor muss sich vom Zentralprozessor „fragen lassen", ob er Daten
übergeben möchte. Diese regelmäßige Anfrage übernehmen Standardfunktionsbausteine
(„Hantierungsbausteine").
Der eigentliche Datentransfer zwischen Zentralprozessor und Kommunikationsprozessor
wird ebenfalls über diese Hantierungsbausteine abgewickelt (siehe Abb. 3.9).
1 Einheit für die Übertragungsgeschwindigkeit 1Baud = 1Byte/Sek
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IT für Intralogistiksysteme
D
A TEN
Hantierungsbausteine
(Standard-
Funktionsbausteine)
CPU
Zentralprozessor
Prozessor
Dual-Port-RAM
RAM
Anwenderspeicher
Geräteschnittstelle
für Punkt-zu-Punkt
Anschluß für Punkt-zu-
Punkt-Verbindung
Abb. 3.9: Datentransfer zwischen CPU und Kommunikationsprozessor
Prozessor
Zentralbus einer SPS
Dual-Port-RAM
LAN-Controler
serielles Interface
Ethernet
Busschnittstelle
IT für Intralogistiksysteme Prof. Dr.-Ing. Frank Thomas Seite 29
RAM
Anwenderspeicher
LAN
Busschnittstelle für den Anschluß
an Ethernet-Transceiver

IT für Intralogistiksysteme
Notizen zu Kapitel 3.1: SPS
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IT für Intralogistiksysteme
3.2 SAIL (System Architektur für Intralogistik-Lösungen)
Innovation und Standardisierung ist der Titel eines Arbeitskreises des Forum Intralogistik
im VDMA, in dem sich namhafte Maschinen- und Anlagenbauer, IT-Firmen, Lagerlogistiker,
Sortierspezialisten sowie Geräte- und Komponentenhersteller zusammengefunden haben.
Der Arbeitskreis hat sich zum Ziel gesetzt, durch die Erstellung von Standards einen
Mehrwert für Anwender und für Lieferanten von intralogistischen Systemen und
Systemkomponenten zu schaffen.
Ergebnis der bisherigen Arbeit ist die erarbeitete „System Architektur für die Intralogistik“ –
SAIL.
3.2.1 Zielsetzung der Systemarchitektur-Entwicklung
Die in der Intralogistik durchgeführten Projekte sind in hohem Maße interdisziplinär und
verlangen von allen an der Umsetzung eines solchen Projektes beteiligten Unternehmen –
von den Planern, über die Lieferanten, bis hin zu den Anlagenbetreibern – ein hohes Maß
an Zusammenarbeit. Erfolg oder Misserfolg eines Projektes hängen daher nicht nur von
der Qualität einzelner Gewerke oder einzelner Implementierungen ab, sondern ganz
entscheidend von dem systematischen und nachhaltigen Zusammenwirken aller Gewerke.
SAIL resultiert aus Standardisierungsbemühungen des Forum Intralogistik im VDMA mit
dem Ziel, durch anbieterübergreifende Architekturkonzepte eine effektive Zusammenarbeit
von Projektpartnern an Gewerkegrenzen zu erreichen. SAIL systematisiert dazu die
Kernfunktionen einer Intralogistikanlage und definiert steuerungstechnische
Standardfunktionen und Schnittstellen zwischen den Funktionen. Logistiksysteme nach
SAIL basieren auf standardisierten Funktionskomponenten, die durch ihre
anbieterübergreifende Harmonisierung eine problemlose Integration unterschiedlicher
Gewerke ermöglichen. SAIL ist plattformneutral, es überlässt dem Systemanbieter die
jeweils eigene Funktionsverteilung auf unterschiedliche Steuerungsebenen.
Standardisierungselemente sind daher nur die Funktionen und die Schnittstellen.
Nutzen und Vorteile von SAIL:
Nutzen für Kunden / Betreiber
Transparenz aller Funktionen bis zum letzten Geber
Projektrisiko der Schnittstellenanpassung entfällt
Architekturharmonisierung ermöglicht
verkürzte Projektlaufzeiten
sicheren Betrieb
vereinfachten Service
erhöhte Systemverfügbarkeit
Flexibilität bei späterer Anlagenmodifizierung
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IT für Intralogistiksysteme
Vorteile der Systemarchitektur nach SAIL
Gesteigerte Planungsintelligenz
einheitliche und eindeutige Begriffsdefinition
Kommunikationsmethoden werden definiert
Einfache Umsetzung des Kundenwunsches
Kunde sagt, was er will; Lieferant sagt, was er liefert
Projektpartner verständigen sich auf derselben Basis
Architekturharmonisierung als Kostenbremse
implizierter Nutzen durch wieder verwendbare standardisierte Komponenten
geringere Projektkosten bei gestiegener Lösungsqualität
3.2.2 Innovation durch Funktionsstandardisierung
Der Fokus liegt nicht mehr auf einer Ebenenzerlegung mit Funktionsabbildung auf die
gefundenen Ebenen, sondern rückt die Logistik in das Zentrum der Modellierung. Die
funktionelle Zerlegung einer Intralogistikanlage bezweckt primär eine Modellierung durch
wieder verwendbare Bausteine. Eine Komplexitätsreduzierung und Hierarchisierung ergibt
sich als Sekundäreffekt dabei zwangsläufig.
Inspiriert durch die objektorientierte Programmierung, die bereits in anderen Bereichen zu
einem Paradigmenwechsel geführt hat, erfolgt mit SAIL eine Übertragung dieser
erfolgreichen Ansätze auch auf die Modellierung von Intralogistik-Systemen.
Maßgeblich für die gedankliche Aufarbeitung dieses Paradigmenwechsels durch die
Anlagenbauer sind die folgenden Denkschritte:
Primäre Anlagenzerlegung nach Funktionen und nicht nach Ebenen
Kapselung der gefundenen Funktionen in Komponenten
Standardisierung der Schnittstellen der Komponenten
Bereitstellung von standardisierten Steuerungskomponenten analog zu verfügbaren
Mechanikkomponenten
Die Vorteile dieser funktionszentrierten Anlagenmodellierung lassen sich
zielgruppenorientiert darstellen:
Eine modulare Baukastensicht der Anlage in der Planungsphase
Eine transparente Funktionsbewertung in der Beschaffungsphase
Eine klare Funktionsabgrenzung bei der interdisziplinären Zusammenarbeit während
der Realisierungsphase
Eine hohe Verfügbarkeit durch klare Problemabgrenzung in der Betriebsphase
Eine risikoarme Austauschbarkeit funktional abgegrenzter Teilgewerke oder
Komponenten in der Modernisierungsphase.
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IT für Intralogistiksysteme
In der Summe bietet der hohe Wiederverwendungsgrad der gekapselten Funktionen von
SAIL einen klaren Kostenvorteil durch reduzierten Anpassungsaufwand, höhere
Standardisierung, reiferen Implementierungsgrad und kürzere Inbetriebnahmezeiten.
3.2.3 Funktionen
Hier werden die bezüglich der Durchführung von Transporten identifizierten Funktionen
definiert, unabhängig davon, wo und in welcher Technik sie tatsächlich implementiert sind.
Funktionen erhalten den Präfix ' F '.
F:AS – Anlagensteuerung
Die Anlagensteuerung bedient direkt die Anlage. Sie realisiert alle Entscheidungen, die für
die Eigensicherheit der Anlage und die für die Durchführung eines Transportschrittes
notwendig sind. Auf dieser Ebene fällt also die Entscheidung, ob gefördert werden kann. In
der Regel wird dazu nur die Freigabe des Folgeförderers betrachtet. Die Richtung, in
welche das Transportgut zu fördern ist, erhält die Anlagensteuerung als Ergebnis der
Funktion Richtungsentscheidung.
F:RE – Richtungsentscheidung
Die Richtungsentscheidung an einem bestimmten Anlagenpunkt für ein Transportobjekt
ermittelt aus den eingestellten Betriebsparametern des Punktes und den ggf. vorhandenen
Fahrauftragsdaten für das sich an diesem Punkt befindende Transportobjekt, ob und in
welcher Richtung weitergefördert werden soll. Vom Transportgut muss mindestens bekannt
sein, ob es ein unbekanntes Förderobjekt UFO ist. Ist das der Fall, kann in der Regel
schon entschieden werden, wohin dieses UFO zu transportieren ist. Wenn UFOs
situationsbedingt nach nichttrivialen Strategien geroutet werden sollen, muss eine
entsprechende Zielanfrage an eine externe Instanz Ressourcennutzung (F:RN) gestellt
werden. Für identifizierte Transportobjekte muss der Transportauftrag betrachtet werden.
Dazu wird bei der Fahrauftragsverwaltung (F:FA) die Ermittlung der Auftragsdaten
veranlasst.
Je nach Komplexität der Anlage und der Struktur der Fahraufträge und deren
Speicherungsmöglichkeiten ist die Ermittlung der Weiterfahrrichtung aus dem Auftrag mehr
oder weniger komplex, daher wird diese Aufgabe in die Funktion der
Fahrauftragsverwaltung gelegt. Die Funktion Richtungsentscheidung erwartet von der
Fahrauftragsverwaltung für ein Transportgut am konkreten Entscheidungspunkt nur die
Aussage, ob das Transportgut ein Schwarzfahrer ist, also kein Fahrauftrag vorliegt, oder in
welche Richtung es weiter zu fördern ist. Ist das Transportobjekt ein Schwarzfahrer, richtet
sich die Behandlung nach fest programmierten Regeln oder besser nach einer
parametrierbaren Richtungsanweisung. Das gleiche gilt, wenn die Fahrauftragsverwaltung
für ein Nicht-Schwarzfahrer keine spezielle Richtungsanweisung geliefert hat. Ansonsten
wird das Transportobjekt in der spezifizierten Richtung gefördert.
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IT für Intralogistiksysteme
F:FA – Fahrauftragsverwaltung
Die Fahrauftragsverwaltung stellt für die Funktionsgruppe F:RE die relevanten Daten des
Fahrauftrags zur Verfügung. Insbesondere muss sie über die Identifikation des
Entscheidungspunktes und des Transportobjekts die Information liefern, ob eine
Richtungsanweisung vorliegt und welche Ausprägung diese hat. Dieser Vorgang stellt hohe
Anforderungen an die Reaktionszeit. Außerdem ist diese Funktionsgruppe dafür
verantwortlich, Fahraufträge anzulegen, zu verändern und zu löschen, wenn dies von der
beauftragenden Funktion Ressourcennutzung verlangt wird. Diese Vorgänge stellen keine
hohen Anforderungen an die Reaktionsgeschwindigkeit.
Bei der Beantwortung einer Richtungsanfrage wird zuerst der Fahrauftrag über die
Identnummer des Transportobjektes ermittelt. Ist diese Funktion routingfähig, reicht für die
Ermittlung der Richtung das Vorliegen des Endzieles des Transportes. Die
Fahrauftragsverwaltung ermittelt dann selbst die konkrete Förderrichtung. Wenn diese
Funktion nicht routingfähig ist, dann wird im Fahrauftrag gesucht, ob für den aktuellen
Punkt eine Anweisung gegeben wird. Falls ja, wird diese übermittelt, falls nein, wird
stattdessen eben diese Tatsache übermittelt. Damit gewinnt man die Freiheit, je nach
Erfordernis, für sehr einfache Fahraufträge mit nur der Angabe des Endzieles oder mit
einem oder mehreren Wertepaaren Punkt/Richtung die jeweils passende Implementierung
zu wählen.
F:RN – Ressourcennutzung
Die Ressourcennutzung kennt den aktuellen Belegungszustand der Transportsysteme,
deren mögliche Transportkapazitäten und Struktur, die vorliegenden Transportaufträge und
die notwendigen Parameter für die Strategien zur Nutzung der freien Ressourcen. Hier wird
entschieden, welches von mehreren konkurrierenden Transportobjekten eine freie
Ressource nutzen darf. Daraus resultiert die Vergabe oder Veränderung eines
Fahrauftrages an die Funktionsgruppe F:FA. Diese Funktionsgruppe bedient sich zur
Verfolgung ihrer Betriebsstrategien auch der Parametrierung der Entscheidungspunkte bei
der Funktionsgruppe F:RE.
F:TK – Transportkoordination
Diese Funktionsgruppe ist die, bei der die umgebenden, nicht zum
Materialflusssteuerungssystem gehörenden Systeme ihre Transporte beauftragen,
Statusinformationen erlangen können und von der sie bei Beendigung die
Vollzugsmeldung erhalten. Die Transportkoordination sorgt dafür, dass ein bei dieser
Komponente beauftragter Transport richtig abgewickelt wird, also zur richtigen Zeit am
richtigen Ort fertig gestellt wird. Aus einer Vielzahl von Transportaufträgen
(Hochlastbetrieb) werden die passenden Betriebsstrategien ermittelt. Hier sind z.B. auch
Funktionen zur Gruppierung und Sequenzialisierung mehrerer Transportaufträge
angesiedelt, hier werden die Verfügbarkeiten aller Bereiche und Systeme betrachtet und in
der Laststeuerung für einzelne Transportsysteme berücksichtigt. In dieser Funktionsgruppe
findet z.B. auch die Organisation von Sammeltransporten, Rundgängen und Batchbildung
statt.
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Anlagenelemente zur Kapselung der Funktionen bei der Modellierung
Eine Förderanlage wird aus verschiedenartigen Anlagenelementen modelliert, sie erhalten
den Präfix ' A '.
A:FE – Förderelement
Ein Förderelement ist die kleinste Einheit. Es besteht aus einem Antrieb für die
Hauptförderrichtung und die Antriebe für die abzweigenden Förderrichtungen sowie der
notwendigen Sensorik. Es besitzt nur die Funktion Anlagensteuerung (F:AS).
A:FG – Fördergruppe
Eine Fördergruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Gruppe von
Förderelementen mit der Funktion Richtungsentscheidung (F:RE) betreibt. Sie ist also eine
Zusammenfassung von Förderelementen, die zusammen ein mehr oder weniger
komplexes Anlagengebilde darstellen, das nach außen als ein Verzweigungspunkt
erscheint. Dem entsprechend besitzt die Fördergruppe eine
Richtungsentscheidungsinstanz F:RE mit deren Betriebsparametern.
A:FS – Fördersegment
Ein Fördersegment ist dadurch gekennzeichnet, dass es für eine Gruppe von
Fördergruppen die Funktion Fahrauftragsverwaltung (F:FA) bereitstellt.
A:FB – Förderbereich
Ein Förderbereich besteht aus einer Gruppe von Fördersegmenten, für die er die
koordinierende Funktion der Ressourcennutzung (F:RN) bereitstellt.
3.2.4 Typische Konfigurationen
Mit den definierten Funktionen ergeben sich typische Konfigurationen für deren Aufteilung
auf verschiedene Steuerungs- oder Rechnersysteme. In der folgenden Abbildung sind vier
(A, B, C, D) gezeigt.
Konfiguration A ist typisch für völlig selbständige Transportsysteme, z.B. Anlagen mit
fahrerlosen Transportfahrzeugen, bei denen die Zuteilung von Fahraufträgen zu den
Fahrzeugen und die Routenfindung vollständig im Bereichsrechner realisiert sind.
Konfiguration B ist sehr häufig in allen Arten von Anlagen anzutreffen:
Ein Transportkoordinierungssystem (MFCS) bestimmt die Belegung der Ressourcen und
die Auswahl der Transporte nach betriebsstrategischen Kriterien und vergibt Fahraufträge
an das unterlagerte Transportsystem, das die Fahraufträge selbst verwaltet. Der Grad der
dabei möglichen Feinsteuerung durch die Ressourcennutzung hängt direkt davon ab, wie
viele Kommunikationspunkte im Transportnetz auf dieser Ebene bekannt sind, also wie
kurz die Leine ist, an der das Transportsystem geführt wird.
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Abb. 3.10 Typische Konfigurationen (Dr. Thomas + Partner)
Konfiguration C ist die klassische Anwendung eines Materialflussrechners (MFR). Ein
Lagerverwaltungssystem (LVS) erzeugt Transporte und übergibt sie entsprechend der
betrieblichen Erfordernisse an einen MFR. Dieser erzeugt und verwaltet Fahraufträge
entsprechend den hinterlegten Transportstrategien. Er beantwortet direkt
Richtungsanfragen der unterlagerten Anlagensteuerungen (UST), wobei sehr kurze
Reaktionszeiten erreicht werden müssen.
Konfiguration D ist eher exotisch. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die unterlagerte
Anlagensteuerung UST nur die Elementsteuerung enthält und schon die
Richtungsentscheidung in den MFR verlagert wurde. Diese Aufteilung ist äußerst kritisch
bezüglich der Reaktionszeiten, hat aber den Vorteil, dass die UST nur die zum Betrieb der
Förderer notwendigen Funktionen enthält und die Entscheidungsfunktionen mit ihren
vielfältigen Anforderungen und Einflüssen in einer unabhängigen zentralen Instanz
gekapselt sind. Nach der gleichen Überlegung ist die Ressourcennutzung im
Materialflusskoordinierungssystem MFCS angesiedelt, um damit bezüglich der
Reaktionsgeschwindigkeit relativ unkritisch komplexe Belegungsstrategien realisieren zu
können.
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3.2.5 Standards für erfolgreiche Logistikprojekte (VDMA & VDI)
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3.3 Materialflusssteuerung
Materialflusssteuerungssysteme sind heute als dezentrale, hierarchisch geordnete
Systeme ausgebildet.
Wesentlich dabei ist die Auflistung der Funktionen in der Ebenenstruktur bei gleichzeitiger
Beachtung der datenmäßigen Entkopplung der Ebene.
3.3.1 Einbindung der Materialflusssteuerung in die DV-Ebenen
Die gesamte Datenverarbeitung im Umfeld eines Logistikzentrums lässt sich in vier Ebenen
einteilen:
Warenwirtschaftssystem (WWS): summarische Bestandsführung, wirtschaftliche
Bewertung, Einkauf, Bestellwesen, Kundenauftragserfassung, Belieferungsplanung
Lagerverwaltungssystem (LVS): Bestandsführung auf LO- bzw. Platzebene,
Lagerplatzverwaltung, Inventur, Kommissionierplanung, Nachschubplanung
Materialflusssteuerung (MFS): Transportverwaltung, Routing, Auslastung,
Kommissionier-, Nachschub- und Inventurdurchführung
Steuerung (STR): Fördersystemsteuerungen, Funk- bzw. Infrarotterminals und -
Drucker, weitere Peripherie wie Terminals und Drucker.
Die Materialflusssteuerung ist zwischen der Lagerverwaltung und der Steuerungsebene
angesiedelt. Sie enthält Leitstandsfunktionen zur Verwaltung von Ressourcen und die
Transportsteuerung. Zusätzlich sind in machen Systemen hier auch Programme
angesiedelt, die das LVS unterstützen, obwohl sie nicht zu einer Materialflusssteuerung im
engeren Sinne gehören. Durch die sehr enge Verflechtung der Nachschubsteuerung mit
der Kommissionierung und der Transportverwaltung ist diese Erweiterung sinnvoll.
Die Transportsteuerung hat primär die Aufgabe, bestehende, von anderen Systemen
erzeugte Transportaufgaben so durchzuführen, dass die Anlage nicht blockiert wird. Hierzu
hat sie den Betriebszustand der Anlage und den Belegungszustand von Strecken und
Punkten zu beachten und die vorhandenen Fördermittel mit entsprechenden Fahraufträgen
zu beauftragen. Sie deckt also die Aufgabe der Ebenen 6 und 5 des Modells nach VDMA
15 276 ab. Die Durchführung der Fahraufträge selbst ist Aufgabe der unterlagerten
Steuerungsebene.
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Abb. 3.11 Materialflusssteuerung im DV-Verbund
3.3.2 Aufgaben der Materialflusssteuerung
3.3.2.1 Transportbeauftragung
Die wichtigste Funktion der MFS ist die Beauftragung von Fördersystemen mit Fahraufträgen
in einer Weise, die die Anlage optimal auslastet und die logistischen Prozesse
bestmöglich bedient. Beide Ziele können nicht unabhängig voneinander erreicht werden,
manchmal entstehen Zielkonflikte. Führend ist immer der logistische Prozess: die
termingerechte und vollständige Auslieferung von Ware ist das Primärziel, an dem sich
sowohl die Gestaltung der Anlage, als auch deren Betrieb zu orientieren hat. Die optimale
Auslastung der Anlage durch die Materialflusssteuerung ist diesem Ziel untergeordnet.
Grundsätzlich muss eine freie Förderkapazität sofort wieder belegt werden, wenn dies
möglich ist. Ein Fahrauftrag wird also sofort vergeben, wenn auf der Strecke bis zum
nächsten Zielpunkt die Kapazität ausreicht. Mit der Beauftragung wird der Quellplatz
entlastet, der jetzt wieder neu belegt wird, indem ein wartender Transport zu diesem Punkt
aktiviert wird.
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Abb. 3.12 Anlagenlayout und Teiltransporte
Erlaubt der Lagerbetrieb der Materialflusssteuerung z.B. eine ausreichende Auswahl aus
zu transportierenden Lagereinheiten oder an zulässigen Zielen, kann sie ohne Nachteile für
die Warenverfügbarkeit die Anlage optimal bedienen. Ist die Auswahl aber durch
logistische Forderungen beschränkt, müssen zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmte
Transporte bevorzugt durchgeführt werden, auch wenn damit das fördertechnische
Durchsatzoptimum nicht erreicht wird. Besonders die Anforderungen durch verkürzte
Servicezeiten und europaweite Belieferung bedingen, dass immer wieder hochpriore
Eilaufträge in einen Betrieb gleichmäßiger Anlagenauslastung eingesteuert werden
müssen. Arbeitet die Anlage dabei an ihrer Leistungsgrenze, treten im Materialfluss
Leistungseinbrüche und lokale Engpässe auf, die im laufenden Betrieb aufgelöst werden
müssen.
3.3.2.2 Belegung von Förderstrecken, Fördermitteln und Puffern
In einer Materialflusssteuerung im Hochlastbetrieb ist immer eine Anzahl von Transporten
aktiv (ein Fördermittel führt einen Fahrauftrag durch). Andere Transporte warten auf das
Freiwerden von Ressourcen (Fördermittel oder Streckenkapazitäten), die immer vollständig
belegt sind. Hat ein Fördermittel einen Fahrauftrag beendet, wird seine Förderkapazität
bzw. die einer Strecke frei. Zu diesem Zeitpunkt muss für das entsprechende Fördermittel
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oder diese Strecke aus den wartenden Transporten derjenige ausgewählt werden, der in
dieser Situation dem aktuellen Lagerbetrieb am ehesten gerecht wird.
Entscheidenden Einfluss auf den Durchsatz einer Anlage hat nach deren Layout die
Methode der Auswahl von Aufträgen aus einem Pool von konkurrierenden Aufträgen.
Interessant ist hier lediglich der Zustand der Hochlast, bei dem mehr Aufträge als
Förderkapazitäten vorhanden sind. Hier findet ein Transport höchstens einen freien
Transporteur, der möglichst sofort wieder belegt wird. Anders gesehen kann ein
Transporteur nur bei Auftragsüberschuss aus mehreren wartenden Transporten auswählen
und den optimalen Transport durchführen. Nur dieser Methode sollte in
Optimierungsbetrachtungen Beachtung geschenkt werden.
Abb. 3.13: Transportauswahl im Hochlastbetrieb (Beispiel Stapler)
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3.3.2.3 Auswahlmethode Priorität oder First-in-first-out?
Bei der Auswahl eines Transportes aus einer Warteschlange sind zwei Methoden von
praktischer Relevanz: Auswahl nach der Wichtigkeit des Transportes (PRIO) bzw. nach der
Ankunft am Wartepunkt (FIFO). Wird die Auswahl nach der Priorität durchgeführt, kann aus
den Transporten mit gleicher Priorität nach anderen Methoden gewählt werden (z.B.
längste Wartezeit (FIFO in PRIO), kürzeste Anfahrt, geringste Verkehrsdichte). Beide
Methoden haben Vor- und Nachteile, deren man sich bewusst sein muss, wenn eine
Methode gewählt wird [Gutbrod 1998].
Abb. 3.14: Situationsstudie: Kommissionierung und Wareneingang
Abbildung 3.14 zeigt eine Situation, bei der aus einem Hochregal Ware-zu-Mann-
Kommissionierplätze ver- und entsorgt werden. Aus dem Wareneingang mündet ein
Förderstrom in den Vorzonenkreisel. Diese Situation eignet sich bestens, die
verschiedenen Zuteilungsmethoden an den verschiedenen Punkten durchzuspielen.
Erfahrungsgemäß ist die reine FIFO-Steuerung immer die beste Strategie für Transporte,
die auf einem Fördersystem unterwegs sind - sie sorgt für eine gerechte Berücksichtigung
aller Zuflüsse bei der Vergabe der Transportkapazität. Diese Strategie ist einfach zu
implementieren und in ihrem Verhalten jederzeit transparent.
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Die PRIO-Steuerung kann eingesetzt werden wenn die Transportobjekte nicht auf einem
Fördersystem stehen. Diese Situation besteht zum Beispiel für Auslagerungen aus einem
Hochregallager mit gangwechselfähigen oder ganggebundenen Regalbediengeräten oder
für Staplertransporte von Bodenlagerflächen oder aus Regalen.
3.3.2.4 Datenbasis der Materialflusssteuerung
Die gesamte Anlage wird dargestellt durch Punkte und diese verbindende Wege. Beide
besitzen Aufnahmekapazitäten und Zulässigkeitskennungen, die das auf einem Weg
verkehrende Fördermittel charakterisieren. Die Fördermittel werden beschrieben durch ihre
Förderkapazität und die transportierbaren Förderguttypen und dem Transportzuteilungstyp.
Auf diesen Daten kann die Materialflusssteuerung die möglichen Routen berechnen, die
Transporte kontrollieren und aktivieren und die Belegung der Fördermittel steuern.
Abb. 3.15: Anlagenabbild mit Punkten, Wegen und Zuteilungsbereichen
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3.3.2.5 Synchronisierung externer Funktionen mit dem Materialfluss
Die Inanspruchnahme der Materialflusssteuerung durch viele Logistikfunktionen wie z.B.
Wareneingänge, Verdichtungen, Kommissionierung mit sich teilweise widersprechenden
Nutzungsstrategien der Anlage macht es erforderlich, externe Funktionen mit dem
Transportfortschritt zu synchronisieren. Durch eine lose Kopplung über Nachrichtentelegramme
wird erreicht, dass verschiedene Softwaremodule, die auch auf verschiedenen
Rechnern laufen können, miteinander in Verbindung treten, ohne von den Eigenschaften
des anderen etwas wissen zu müssen. Die Durchführung einer externen Funktionen kann
jederzeit ohne Änderungen der Software von einer Stelle an eine andere verlegt werden.
Im Verlauf eines Materialflussprojektes ändern sich häufig Anforderungen sowohl durch
Umplanungen der Anlage oder Änderungen in den Betriebsschwerpunkten als auch durch
die strategischen Erfahrungen und Phantasien von “Inbetriebnehmern“, Planern und
Betreibern. (Jeder kennt zu jedem Zeitpunkt die genau richtige Strategie zu genau diesem
eben beobachten betrieblichen Sonderfall).
3.3.3 Optimierungspotentiale und deren Grenzen
Grundsätzlich kann von einer Materialflusssteuerung erwartet werden, dass sie die
vorliegenden Transporte mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen fehlerfrei und an
der Leistungsgrenze der Anlage abwickelt. Aus der Sicht der Materialflusssteuerung ist die
Forderung nach dem Betrieb an der Leistungsgrenze dann erfüllt, wenn eine freie
Ressource sofort wieder belegt wird. Damit ist allerdings nicht garantiert, dass dann auch
an allen Punkten der Anlage der jeweils technisch machbare Durchsatz erreicht wird.
3.3.3.1 Lastverteilung durch Vorplanung
In den Bereichen, die nicht eine FIFO-Steuerung bei der Auftragsvergabe erzwingen, kann
durch geeignete Auswahl von Transporten der Betrieb einer Anlage optimiert werden. Dies
trifft besonders auf Staplertransportbereiche und Hochregalläger zu. Überlastungen in
einzelnen Anlagenbereichen können zum Teil gemildert werden, indem dieser Bereich mit
mehr Transporteuren bestückt wird (Staplerbereiche). Geht das nicht (RBGs), können
Transporte aus anderen Gassen zurückgehalten werden, wenn das RBG schneller
auslagern könnte als das Palettenfördersystem abfördert.
Das Optimierungspotential ist um so höher, je größer die Auswahl an Transporten ist. Sie
werden eingeschränkt durch die Reduzierung der Auswahlmöglichkeiten. Sollen auf einer
Anlage Aufträge für den 24-Stundenservice abgewickelt werden, folgt eine starke
Begrenzung der Auswahlmöglichkeiten, weil z. B. die Zeitspanne zwischen der Auftragsübermittlung
und der Abfahrt der Spedition sehr viel kleiner wird. Für die Materialflusssteuerung
ergibt sich daraus, dass weniger vorgeplant werden kann, und der Anteil der
spontan sofort durchzuführenden Transporte ansteigt. Wird der Lagerbestand verringert,
um die Kapitalbindung zu reduzieren, wird auch das Lagerverwaltungssystem um die
Chancen gebracht, alternative Bestände zu suchen. Dies wird verstärkt, wenn die Waren
chargenpflichtig sind (was in diesem Zusammenhang einer Vervielfachung der Artikel und
eine Verringerung des Bestandes bedeutet), wenn länderspezifische Varianten existieren
und wenn Mindesthaltbarkeitsdaten unbedingt einzuhalten sind.
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3.3.3.2 Optimierte Lagerplatzsuche?
Häufig werden komplexe Vorschriften zur Ermittlung eines Einlagerplatzes gefordert. In der
Praxis wird jedes Lager mit einem Belegungsgrad nahe 100% betrieben. Dadurch ist die
Auswahl an freien Plätzen, die einer Reihe von Kriterien genügen, immer nahe null.
Eingelagert wird dann tatsächlich auf ein Fach, das weniger scharfen Anforderungen
genügt. Eine Optimierung ergibt sich für die Belastung des Rechners, das Budget und die
Stabilität der Software durch konsequente Beschränkung auf das Wesentliche: Vergabe
des Lagerplatzes nur nach den Abmessungen und dem Gewicht der Palette (Allgemein
wird die praktische Relevanz von ausgefeilten Methoden der Lagerplatzsuche überschätzt).
3.3.4 Grobe Planungsfehler
Bei der Planung einer Anlage werden häufig Möglichkeiten zur Senkung der Investitionskosten
gesehen und realisiert, ohne die Auswirkungen auf die Materialflusssteuerung
erkannt und abgeschätzt zu haben. Die beiden am häufigsten anzutreffenden Sündenfälle
werden an Beispielen kurz erläutert.
3.3.4.1 Bidirektionale Förderer
Manchmal wird die Installation paralleler Strecken eingespart und durch bidirektionalen
Betrieb einer Strecke ersetzt, weil die Durchsatzberechnung zeigt, dass die Förderstrecken
im Mittel weniger als 50 % ausgelastet sind. Die Anlage selbst kann aber nicht gleichzeitig
Transporte in beide Richtungen auf einem Förderer abwickeln, also darf sie auch nicht vom
MFS mit solchen beauftragt werden. Es werden Zeitscheiben eingeführt, in denen jeweils
eine Richtung befahren wird. Die Probleme entstehen bei der Umschaltung, weil ja nicht
nur die Strecke selbst, sondern auch die vor- und nachgelagerten Transportbereiche und -
Systeme den Betriebszustand wechseln müssen. Solange dort Transporte in einer
Richtung unterwegs sind, dürfen aus der anderen Richtung keine Transporte gestartet
werden. Also muss die Beauftragung aus der momentan gültigen Richtung rechtzeitig
gestoppt werden, damit die Gesamtstrecke überhaupt umschaltbar wird. Dadurch wird bei
jeder Umschaltung dieser Anlagenteil komplett leergefahren, was dazu führt, dass die
Gesamtleistungsfähigkeit drastisch sinkt. Wenn die mittlere Last nur 10 – 20% der
Förderkapazität der Strecke erfordert, die Transporte keiner Zeitrestriktion unterliegen und
nie die Notwendigkeit entsteht, unmittelbar umschalten zu müssen, kann dieses
Einsparpotential genutzt werden. Oft zeigt eine genauere Analyse, dass diese
Bedingungen in Wirklichkeit nicht zutreffen. Der oft vorgeschlagene Ausweg, die vor- und
nachgeschalteten Wege von der bidirektionalen Strecke durch direkt an deren Enden
platzierte Pufferlager zu entkoppeln, löst das Problem der langen Leerlaufphase und
ermöglicht es dann, die reversierbare Strecke in einer Richtung mit vielen Transporten zu
belegen. Durch die damit verursachte Verdopplung von Absetz- und Aufnahmevorgängen
und die Kosten der installierten Puffer ist die Kostenersparnis durch das Weglassen der
zweiten Strecke kritisch zu hinterfragen.
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Abb. 3.16: Bidirektionale Förderstrecken
3.3.4.2 Mehrplatzförderer
Zur Vereinfachung des Aufbaues von Förderern und der Installation von Antrieben werden
immer wieder Mehrplatzförderer eingebaut. Fordert der Anlagenbetrieb die vollständige
Ausnutzung aller Plätze zum Transport oder zur Pufferung (z.B. bei Einlagerstrecken zu
einem Regalbediengerät) können Probleme entstehen. Solange die Strecke der
Mehrplatzförderer schneller versorgt werden kann als diese abfördert, wird jeder Platz
belegt. Sobald aber die Versorgung langsamer ist, muss entweder gewartet oder eine
Lücke aufgezogen werden. Dies ist in diesem Fall des Schwachlastbetriebs nicht weiter
schlimm. Tritt nun aber wieder eine Hochlastphase ein, kann die Lücke nicht mehr
geschlossen werden, die Puffer- bzw. Förderkapazität bleibt ungenutzt, was dann natürlich
unerwünscht ist. Auch die beste Software kann eine Lücke nicht mehr schließen. Aus
diesem Grund sind Mehrplatzförderer nur für Strecken geeignet, auf denen keine hohe
Belegungsdichte gefordert ist oder bei denen der Zeitverlust zur Blockbildung durch eine
genügend lange Fahrt kompensiert wird.
Literatur zu Kapitel 3.3:
[Gutbrod 1998] VDI (Hrsg.), "Schnell - flexibel - kostengünstig" VDI Berichte 1395,
VDI-Verlag, Düsseldorf 1998, Seite 107 ff.
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3.4 Begriffe zur Materialflusssteuerung
An ein System zur Kontrolle und Steuerung von Warenbewegungen wird eine Vielzahl von
Anforderungen gestellt.
Entscheidend für das Verständnis des Systems in seiner Gesamtheit und des
Zusammenspiels seiner Komponenten ist die klare Abgrenzung der Funktionalitäten
untereinander und die Möglichkeiten ihrer Zuordnung zu den verschiedenen Ebenen der
Systemhierarchie sowie eine klare Definition der Nachrichten, die zwischen den einzelnen
Komponenten ausgetauscht werden.
In der Folge werden Funktionen mit dem Präfix "F:", Nachrichten mit "N:", Daten mit "D:"
und Anlagenteile mit "A:" versehen.
3.4.1 Der Transportauftrag
Ausgangspunkt für die Durchführung eines Transportauftrages ist eine Anforderung aus
dem operativen Betrieb.
Solche Anforderungen können z.B. Kommissionier- oder Produktionsnachschübe,
Wareneingänge oder Umlagerungen sein. Summarische Anforderungen werden von einem
Bestandsführungssystem soweit aufgelöst, dass eine oder mehrere Bestandseinheiten
ausgewählt werden für die dann jeweils ein Transportauftrag generiert wird.
In der weiteren Betrachtung bezieht sich also ein Transportauftrag immer auf genau ein
selbständig zu bearbeitendes Transportobjekt, das von seinem momentanen Standort zu
seinem Bestimmungsort (Endziel) zu bringen ist.
3.4.2 Der Teiltransport (Fahrauftrag)
Ein Transportauftrag wird untergliedert in einzelne Fahraufträge an Fördersysteme, die den
Materialtransport dann tatsächlich durchführen.
3.4.3 Die Zielfindung
Bei der Durchführung eines Fahrauftrags muss das transportierende System das im
Teiltransportauftrag spezifizierte Ziel entweder selbst finden können oder dem
Transportsystem wird im Auftrag mitgeteilt, wie das (nicht notwendig mitgeteilte)
Teiltransportziel zu erreichen ist.
Im ersten Fall muss das Transportsystem an jeder Verzweigungsstelle, an der eine
Richtungsentscheidung zu treffen ist, durch Kenntnis der eigenen Topologie entscheiden,
in welche Richtung das Transportobjekt weiterzutransportieren ist.
Im zweiten Fall muss das beauftragende System für jede Entscheidungsstelle die zu
befahrende Richtung im Auftrag mitteilen.
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3.4.4 Die Ressourcennutzung
Bei der Durchführung der Transporte muss die Blockierung von Ressourcen vermieden
werden. Es darf z.B. keine Kreuzung befahren werden, wenn deren Ausfahrt nicht frei ist,
da sonst der Querverkehr behindert wird. Diese einfache Belegungssteuerung kann vom
Transportsystem selbst vorgenommen werden.
Stehen betriebsstrategische Ziele bei der Ressourcenbelegung im Vordergrund, dann
muss die Verantwortung für die Benutzung einer Ressource von einem System
übernommen werden, das die Belegungssituation aller Transportbereiche kennt und bei
dem die entsprechenden Betriebsparameter bekannt und die passenden Strategien
implementiert sind.
3.4.5 Die Nutzungsoptimierung der Transportinfrastruktur
Häufig treten bei der Nutzung einer Transportinfrastruktur verschiedene Betriebszustände
auf, die aus verschiedenen Phasen der operativen Tätigkeit herrühren. So sind z.B. in
Distributionszentren häufig Phasen anzutreffen, in den bevorzugt eingelagert oder
nachgeschoben oder kommissioniert wird. Um in jeder dieser Phasen die Infrastruktur, die
im Hochlastbetrieb ja auch immer eine knappe Ressource ist, optimal an der Grenze ihrer
Leistungsfähigkeit zu nutzen, müssen passende Strategien auch von den
Transportanlagen unterstützt werden. So müssen z.B. Vorfahrtsregeln bei
Zusammenflüssen geändert werden oder der Belegungsgrad von Kreisel- oder
Staustrecken muss gesenkt werden um spontane Expresstransporte zu beschleunigen und
vieles mehr.
3.4.6 Schnelligkeit gegen Entscheidungskomplexität
Je dichter eine Funktion an der Technik angesiedelt ist um so höher ist die Anforderung an
zuverlässige geringe Reaktionszeiten und desto geringer ist die Möglichkeit, umfängliche
Datenrecherchen und Entscheidungsalgorithmen durchzuführen.
Weit von der Technik entfernte Funktionen können aus vielen Daten in komplizierten
Berechnungen Strategievorgaben ermitteln, die zur Ansteuerung der Anlage verwendet
werden, ohne hohen Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit zu unterliegen.
3.4.7 Das Kommunikationsproblem
Auch unter Einsatz moderner Techniken ist die Kommunikation zwischen Systemen eine
knappe Ressource und daher nur in begrenztem Umfang möglich. Insbesondere kann
zwischen schnellen Fördersystemen (Karton- oder Behälterförderanlagen, Sorter) und der
Komponente, die die Ressourcenbelegung plant und die Teiltransportaufträge beauftragt,
nicht für jedes Transportobjekt an jedem Entscheidungspunkt eine Anfrage gestellt werden,
auf die mit einem weiteren Teiltransportauftrag geantwortet wird.
Es ist notwendig, den Kommunikationsaufwand zu begrenzen ohne Steuerungs- und
Eingriffsmöglichkeiten zu verlieren.
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3.4.8 Die UFOs und die Schwarzfahrer
Transportsysteme sind in der Praxis gewollt oder ungewollt mit zwei Arten von
Problemfällen konfrontiert: nicht identifizierbare Transportobjekte (UFOs) und
identifizierbare Transportobjekte ohne Transportauftrag (Schwarzfahrer). Für beide Typen
muss ein Strategie entwickelt werden, mit der sie an einem Entscheidungspunkt behandelt
werden.
In aller Regel sind UFOs auf einem Transportsystem störend, da sie nicht weiter disponiert
werden können, sie werden typischerweise schnellstmöglich ausgeschleust.
In bestimmten Anlagen bzw. zu bestimmten Betriebszuständen kann es durchaus sinnvoll
sein, identifizierbare Transportobjekte ohne Auftrag (Schwarzfahrer) auf der Anlage zu
halten um sie z.B. als schnell verfügbare Leergutreserve für unstetigen Bedarf an
Kommissionierplätzen vorzuhalten.
3.4.9 Das Entscheidungsfindung an einem Anlagenpunkt
In einer nicht stetig fördernden Transportanlage wird unmittelbar in der Steuerung
entschieden, ob ein Transportobjekt von einem Platz zu einem anderen weiterfördert
werden kann. Dies ist allein durch die physische Belegung der Anlage zu realisieren
(Belegungszustand des Folgeförderers). Nur wenn gefördert werden kann, ist zu prüfen ob
das Transportobjekt gefördert werden darf und falls ja in welcher Richtung es
weiterzufördern ist.
Diese Entscheidungsfindung unterliegt hohen Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit und
bestimmt in ihrer Architektur die Möglichkeit der Anpassung der Nutzung einer Anlage nach
den wechselnden Bedürfnissen des operativen Betriebs – positiv wie negativ.
Die Transportrichtungsermittlung (hier ist auch die Anweisung stehen zu bleiben ein
mögliches gewolltes Ergebnis) muss dabei sowohl mit Transportobjekten umgehen
können, die einen Transportauftrag haben, der direkt für diesen Entscheidungspunkt eine
Entscheidungsvorschrift enthält, als auch mit UFOs und Schwarzfahrern. Daher müssen
auch Anweisungen hinterlegt sein, wie solche Transportobjekte zu behandeln sind. Diese
können dann auch ohne weiteres für Transportobjekte mit Fahrauftrag aber ohne spezielle
Anweisung für den aktuellen Punkt benutzt werden.
3.4.10 Der Fahrauftrag
Zu der oben beschriebenen Art der Entscheidungsfindung passt ein Fahrauftrag, der über
die Identnummer des Transportobjektes die Richtungsanweisung für eine
Entscheidungsstelle enthält. An allen anderen Entscheidungsstellen als der im Auftrag
spezifizierten wird gefahren nach den Anweisungen, die bei der Entscheidungsstelle für
eben diese Situation hinterlegt ist.
Für langsame Anlagen (Palettenförderanlagen, Staplerverkehr) ist das ausreichend. Bei
schnellen Anlagen erhöht sich der Kommunikationsaufwand und die Anforderung an die
Reaktionsgeschwindigkeit so stark, dass die Anlage nicht ohne Stockungen betrieben
werden kann.
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Um dieses Problem zu entschärfen, kann ein Teiltransportauftrag zwei
Richtungsanweisungen enthalten. Damit ist es dann möglich, im Zusammenspiel mit der
oben genannten Art der Richtungsentscheidungsfindung Transporte auch auf komplexen
Fördersystemen über weite Strecken mit vielen Entscheidungsstellen mit einem
Teiltransportauftrag oder sehr wenigen weiteren Folgeaufträgen durchzuführen ohne
überhöhten Kommunikationsaufwand oder Stockungen des Betriebes in Kauf nehmen zu
müssen.
3.5 Die Funktionsgruppen
3.5.1 F:AS – Anlagensteuerung
Die Anlagensteuerung bedient direkt die Anlage. Sie realisiert alle Entscheidungen, die für
die Eigensicherheit der Anlage und die für die Durchführung eines Transportschrittes
notwendig sind. Auf dieser Ebene fällt also die Entscheidung, ob gefördert werden kann. In
der Regel wird dazu nur die Aufförderfreigabe des Folgeförderers betrachtet.
3.5.2 F:RE – Richtungsentscheidung
Die Richtungsentscheidung an einem bestimmten Anlagenpunkt für ein Transportobjekt
ermittelt aus den eingestellten Betriebsparametern des Punktes und den ggf. vorhandenen
Fahrauftragsdaten für das sich an diesem Punkt befindende Transportobjekt ob und in
welcher Richtung weitergefördert werden soll.
3.5.3 F:FA – Fahrauftragsverwaltung
Die Fahrauftragsverwaltung stellt für die Funktionsgruppe F:RE die relevanten Daten des
Fahrauftrags zur Verfügung. Insbesondere muss sie über die Identifikation des
Entscheidungspunktes und des Transportobjekts die Information liefern, ob eine
Richtungsanweisung vorliegt und welche Ausprägung diese hat. Dieser Vorgang stellt hohe
Anforderungen an die Reaktionszeit.
Außerdem ist diese Funktionsgruppe dafür verantwortlich, Fahraufträge anzulegen, zu
verändern und zu löschen wenn dies von der beauftragenden Funktionsgruppe verlangt
wird. Diese Funktionen stellen keine hohen Anforderungen an die
Reaktionsgeschwindigkeit.
3.5.4 F:RN – Ressourcennutzung
Die Ressourcennutzung kennt den aktuellen Belegungszustand der Transportsysteme,
deren möglichen Transportkapazitäten und Struktur, die vorliegenden Transportaufträge
und die notwendigen Parameter für die Strategien der Nutzung der freien Ressourcen. Hier
wird entschieden welches von mehreren konkurrierenden Transportobjekten eine freie
Ressource nutzen darf. Daraus resultiert die Vergabe oder Veränderung eines
Fahrauftrages an die Funktionsgruppe F:FA.
Diese Funktionsgruppe bedient sich zur Verfolgung ihrer Betriebsstrategien auch der
Parametrierung der Entscheidungspunkte bei der Funktionsgruppe F:RE.
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3.5.5 F:TK – Transportkoordination
Diese Funktionsgruppe ist die, bei der die umgebenden, nicht zum
Materialflusssteuerungssystem gehörenden Systeme die Transporte beauftragen,
Statusinformationen erlangen können und von der sie bei Beendigung die
Vollzugsmeldung erhalten.
Die Transportkoordination sorgt dafür, dass ein bei dieser Komponente beauftragter
Transport richtig abgewickelt wird, also zur richtigen Zeit am richtigen Ort fertiggestellt wird.
Aus einer Vielzahl von Transportaufträgen (Hochlastbetrieb) werden die passenden
Betriebsstrategien ermittelt. Hier sind auch Funktionen zur Gruppierung und
Sequenzialisierung mehrer Transportaufträge angesiedelt, hier werden die Verfügbarkeiten
aller Bereiche und Systeme betrachtet und in der Laststeuerung für einzelne
Transportsysteme berücksichtigt.
In dieser Funktionsgruppe findet z.B. auch die Organisation von Sammeltransporten,
Rundgängen und Batchbildung statt.
3.6 Datenhaltung und Nachrichtenaustausch
Jede Funktionsgruppe hat bestimmte Daten bereitzuhalten und sie kommuniziert mit
anderen Funktionsgruppen. Es ist wichtig, hierbei einerseits die Anforderungen an die
Reaktionszeit und andererseits die Klarheit und Einfachheit des Nachrichtenflusses zu
beachten. Die technische Realisierung wird hier nicht betrachtet, sie ist Gegenstand einer
gesondert durchzuführenden Spezifikation.
Um den Umfang der Daten bzw. der Nachrichten ungefähr abschätzen zu können dienen
folgende Angaben aus realisierten Systemen:
Identifikation Transportobjekt: Zeichenkette 6 bis 22 Bytes, nicht zwingend numerisch
Identifikation eines Anlagenpunktes: Innerhalb eines Förderbereiches 4 bis 8 Bytes,
auf der Ebene eines gesamten Logistiksystems ca. 24 Bytes
Richtungsangabe: 2-stellige Zahl, in besonderen Ausnahmefällen (große Sorter) auch
bis zu 4-stellig.
Betriebsparameter eines Punktes: 5 Zahlen als Richtungsangaben, zwei Boolsche
Werte.
3.6.1 F:AS – Anlagensteuerung
3.6.1.1 Daten
Die Anlagensteuerung hält keine Daten oder nur wenige gerade solange wie diese zur
Ansteuerung der Antriebe benötigt werden.
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3.6.1.2 Nachrichten
N:RA – Richtungsanfrage an F:RE (ausgehend):
Wird ein Transportobjekt an einen Entscheidungspunkt aufgefördert, dann wendet sie
sich mit der Bezeichnung des Anlagenpunktes und der Transportobjektidentifikation an
die Funktionsgruppe F:RE und erhält von dieser eine Handlungsanweisung in der
Form einer Richtungsinformation.
N:RI – Richtungsinformation von F:RE (eingehend):
direkt umsetzbare Anweisung für die Folgerichtung des Transportobjekts, kann auch
"Stehen bleiben" sein.
N:UM – Überfahrtmeldung an F:RE (ausgehend):
Wird ein Transportobjekt von einem Anlagenpunkt abgefördert wird dies unter Angabe
der tatsächlich gefahrenen Richtung gemeldet.
3.6.2 F:RE – Richtungsentscheidung
3.6.2.1 Daten
Die Richtungsentscheidung hält für jeden Anlagenpunkt, an dem eine
Richtungsentscheidung getroffen werden muss, einen Parametersatz vor, mit dessen Hilfe
die Entscheidungslogik gesteuert wird. Diese Daten können verloren gehen, sie sind
jederzeit wieder aus der Funktionsgruppe F:RN zu gewinnen.
D:BP – Betriebsparameter Punkt:
Richtungsangaben für UFOs, Schwarzfahrer, Stauumfahrung, Zielanfragen,
Überfahrmeldungen
3.6.2.2 Nachrichten
N:RA – Richtungsanfrage von F:AS (eingehend):
Die Richtungsanfrage von F:AS wird mit den eigenen Parametern bearbeitet soweit
dafür die Punktparameter ausreichen.
In der Regel werden zusätzlich die Daten des Fahrauftrags benötigt. Daher wendet
sich F:RE ihrerseits mit einer Richtungsanfrage an die Funktionsgruppe F:FA.
N:RA – Richtungsanfrage an F:FA (ausgehend):
Mit der Bezeichnung des aktuellen Punktes und der Identifikationsnummer des
Transportgutes wendet sich F:RE an F:FA um die Informationen für die weitere
Bearbeitung der Richtungsentscheidung zu erhalten.
N:RI – Richtungsinformation von F:FA (eingehend):
Information über das Vorliegen einer Information. Falls ja Anweisung für die
Folgerichtung des Transportobjekts, kann auch "Stehen bleiben" sein.
N:RI – Richtungsinformation an F:AS (ausgehend):
direkt umsetzbare Anweisung für die Folgerichtung des Transportobjekts, kann auch
"Stehen bleiben" sein.
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N:ZA – Zielanfrage an F:RN (ausgehend):
Ist kein Fahrauftrag vorhanden und verlangt die Parametrierung des Anlagenpunktes
einen solchen als Voraussetzung für den Weitertransport, dann stellt diese
Funktionsgruppe eine Zielanfrage an F:RN, erwartet aber nicht direkt eine Antwort.
N:UM – Überfahrtmeldung von F:AS (eingehend):
F:AS meldet die Überfahrt eines Punktes durch ein Transportobjekt in einer
bestimmten Richtung.
N:UM – Überfahrtmeldung an F:RN (ausgehend):
Wird ein Transportobjekt von einem Anlagenpunkt abgefördert (N:UM von F:AS) und
verlangt der Punktparameter eine Nachricht, dann wird diese Überfahrmeldung an
F:RN gesendet.
N:BP – Betriebsparameter Punkt von F:RN (eingehend):
Richtungsangaben für UFOs, Schwarzfahrer, Stauumfahrung, Zielanfragen,
Überfahrmeldungen
3.6.3 F:FA – Fahrauftragsverwaltung
3.6.3.1 Daten
D:FA – Fahrauftrag:
Die Fahrauftragsverwaltung hält alle Fahraufträge in einer Weise vor, die geeignet ist,
einen sehr schnellen Zugriff über die Identnummer zu realisieren. Die Fahraufträge
können verloren gehen, sie sind jederzeit wieder von der Funktionsgruppe F:RN zu
gewinnen.
Es sind jeweils der Quellort und die Abfahrtrichtung von der Quelle sowie der Zielort
und die am Ziel gewünschte Weiterfahrtrichtung (!) zu speichern.
3.6.3.2 Nachrichten
N:RA – Richtungsanfrage von F:RE (eingehend):
Die Richtungsanfrage von F:RE wird aus der Tabelle der Fahraufträge über die
Identifikationsnummer des Transportobjektes bearbeitet.
N:RI – Richtungsinformation an F:RE (ausgehend):
Information über das Vorliegen eines Fahrauftrages (kein Auftrag vorhanden, Auftrag
bekannt, aber keine Vorschrift für den aktuell angefragten Anlagenpunkt,
Richtungsanweisung) werden als Folge der Richtungsanfrage von F:RE an F:RE
gesendet.
N:FA – Fahrauftrag oder Auftragsänderung von F:RN (eingehend):
wird in die Tabelle eingetragen
N:FS – Fahrauftragstorno von F:RN (eingehend):
Auftrag wird gelöscht
N:DA – Anfrage Download von F:RN (eingehend):
F:RN leitet Downloadsequenz ein.
N:DF – Freigabe Download an F:RN (ausgehend):
F:FA ist bereit, die Aufträge zu empfangen.
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N:DE – Ende Download von F:RN (eingehend):
F:RN meldet das Ende der Downloadsequenz.
3.6.4 F:RN – Ressourcennutzung
3.6.4.1 Daten
Die Ressourcennutzung speichert alle Daten zur Fahrauftragssituation, zum
Belegungszustand der Fördermittel und die Betriebsparameter der einzelnen
Anlagenpunkte persistent. Sie muss alle Daten jederzeit an F:FA und F:RE nachliefern
können.
D:BP – Betriebsparameter Punkt
Richtungsangaben für UFOs, Schwarzfahrer, Stauumfahrung, Zielanfragen,
Überfahrmeldungen
D:RB – Ressourcenbelegung Punkt oder Weg
Kapazität, Anzahl Transportobjekt dorthin unterwegs, Anzahl Transportobjekte dort
stehend
D:TA – Transportauftragsdaten
Standorte, Richtungen, beauftragter Transporter, Status
3.6.4.2 Nachrichten
N:ZA – Zielanfrage von F:RE (eingehend):
F:RE fragt an, wohin ein bestimmtes Transportobjekt zu transportieren ist. Aus der
Zielanfrage wird der momentane Standort des Transportobjektes gepflegt.
N:UM – Überfahrtmeldung von F:RE (eingehend):
Mit der Überfahrtmeldung wird der momentane Standort, die Transportrichtung und der
aktuelle Transporter gepflegt.
N:FA – Fahrauftrag oder Fahrauftragsänderung an F:FA (ausgehend):
Das Transportsystem erhält einen Fahrauftrag. Übermittelt werden die Identnummer,
die Quell- und Zielpunkte sowie die Richtungsanweisungen für diese Punkte
N:FS – Fahrauftragstorno an F:FA (ausgehend):
Auftrag wird gelöscht
N:BP – Betriebsparameter Punkt an F:RE (ausgehend):
Richtungsangaben für UFOs, Schwarzfahrer, Stauumfahrung, Zielanfragen,
Überfahrmeldungen.
N:TA – Transportaufträge oder Auftragsänderungen von F:TK (eingehend):
Transportauftrag mit allen Daten, die zur Einsteuerung nach den gültigen Strategien
benötigt werden.
N:TS – Transportauftragstorno von F:TK (eingehend):
N:SP – Strategieparameter von F:TK (eingehend):
Parameter, die zur Steuerung der Belegungsstrategien benötigt werden.
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N:TQ – Transportauftragsquittung an F:TK (ausgehend):
Transportauftrag wird quittiert. Hierbei wird mitgegeben, warum und wo ein Transport
beendet wurde.
N:DA – Anfrage Download an F:RN (ausgehend):
F:RN leitet Downloadsequenz ein.
N:DF – Freigabe Download von F:RN (eingehend):
F:FA ist bereit, die Aufträge zu empfangen.
N:DE – Ende Download an F:RN (ausgehend):
F:RN meldet das Ende der Downloadsequenz.
3.6.4.3 Downloadsequenz
Eine Besonderheit in der Übermittlung der Nachrichten zwischen den Funktionen F:RN und
F:FA ist der Download der Fahraufträge.
Es kann vorkommen, dass durch manuelle Eingriffe in die Förderanlage (Wegnehmen von
Transportobjekten) oder Probleme in der Kommunikation oder Überlauf der
Fahrauftragstabelle die Fahrauftragsdaten in F:FA nicht mehr konsistent zur
Anlagenbelegung sind. Dies kann beseitigt werden durch einen Datendownload.
Der Download kann sowohl von F:RN als auch von F:FA initiiert werden. Geht die Initiative
von F:RN aus, dann sendet F:RN die Anfrage N:DA an F:FA. F:FA stellt sicher, dass seine
Tabelle geleert wird und keine Anfragen von F:RE beantwortet werden (Anlagenstillstand
soweit möglich). Dann sendet F:FA an F:RN die Downloadfreigabe N:DF, ebenso wenn
F:FA den Download initiieren will.
Nun sendet F:RN alle Fahraufträge an F:FA, die laut Datenlage auf diesem Fördersegment
unterwegs sein müssten oder sollten. Anschließend wird F:FA durch die Nachricht N:DE
mitgeteilt, dass jetzt wieder der Regelbetrieb aufgenommen werden kann, die Sequenz ist
damit beendet.
3.6.5 F:TK – Transportkoordination
3.6.5.1 Daten
Je nach Komplexität der Transportinfrastruktur und der Nutzungsstrategien sind hier mehr
oder wenig viele applikationsspezifische Daten zu halten.
Die Datenhaltung der Transportaufträge selbst sowie deren Durchführungsfortschritt ist
weitgehend unabhängig von der Komplexität der oben genannten Punkte und somit einer
Standardisierung zugänglich. Für die Standardisierung bedeutet dies, dass der momentane
bzw. letzte Standort sowie der aktuelle Transporter als wichtigsten Zustandsdaten zum
Transport die entscheidenden Größen sind.
3.6.5.2 Nachrichten
Die Schnittstelle zu den externen Systemen ist – wie auch die Daten – stark
applikationsspezifisch, jedoch kann bei der Vergabe und Quittierung von
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Transportaufträgen postuliert werden, dass folgenden Angaben ausreichen: Identnummer
und Typ des Transportobjektes, dessen Standort und dessen Ziel bzw. die Folge von
Zielen sowie der späteste Bereitstellzeitpunkt.
N:TA – Transportaufträge oder Auftragsänderungen an F:RN
N:TS – Transportauftragstorno an F:RN
N:SP – Strategieparameter an F:RN
N:TQ – Transportauftragsquittung von F:RN
3.7 Modellierung von Förderanlagen
Eine Förderanlage wird aus verschiedenartigen Elementen aufgebaut .
3.7.1 Förderelement (A:FE)
Ein Förderelement ist die kleinste Einheit. Es besteht aus einem Antrieb für die
Hauptförderrichtung und ggfs. einem Antrieb für die abzweigende Förderrichtung sowie der
notwendigen Sensorik. Es besitzt nur die Funktion Anlagensteuerung (F:AS).
3.7.2 Fördergruppe (A:FG)
Eine Fördergruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Gruppe von
Förderelementen mit der Funktion Richtungsentscheidung (F:RE) betreibt. Sie ist also eine
Zusammenfassung von Förderelementen, die zusammen ein mehr oder weniger
komplexes Anlagengebilde darstellen, das nach außen als ein Anlagenpunkt
(Verzweigungspunkt) erscheint. Dem entsprechend besitzt die Fördergruppe eine
Richtungsentscheidungsinstanz F:RE mit deren Betriebsparametern.
3.7.3 Fördersegment (A:FS)
Ein Fördersegment ist dadurch gekennzeichnet, dass es für eine Gruppe von
Fördergruppen die Funktion Fahrauftragsverwaltung (F:FA) bereitstellt.
3.7.4 Förderbereich (A:FB)
Ein Förderbereich besteht aus einer Gruppe von Fördersegmenten, für die er die
koordinierende Funktion der Ressourcennutzung bereitstellt.
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3.7.5 Modell einer Palettenförderanlage
Abb. 3.17: Ausschnitt aus einer Palettenförderanlage
Dies ist ein kleiner Ausschnitt aus einer umfänglicheren Palettenförderanlage. Jeder
einzelne Förderer ist ein Förderelement, die blau umrandeten Förderer sind je eine
Fördergruppe, bei der mehrere Förderelemente so zusammengefasst wurden, dass die
damit gesteuerte Strecke als eine größere Verzweigung anzusehen ist, jede dieser
Gruppen hat ein Richtungsentscheidung.
Rot umrandet sind Fördersegmente, die den darin enthaltenen Fördergruppen mit ihren
Richtungsentscheidungen die Fahrauftragsverwaltung bereitstellen. Das sind hier auch
gleichzeitig die Grenzen der von einer SPS betriebenen Anlagenteile.
Grün umrandet sind Förderbereiche, die je einer eigenen Ressourcennutzung unterliegen.
Hier sind es die Bereiche des Hochregallagers (oben links) und das Palettenfördersystem
(Rest). Noch nicht markiert ist der Bereich oben rechts, das ist ein reiner Staplerbereich,
den wir nach unserem Modell ja auch beschreiben können.
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Abb. 3.18: Modellentwurf
Abb. 3.19: Mögliche Systemzuordnungen der Funktionsgruppen
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Notizen zu Kapitel 3
SPS, SAIL UND
MATERIALFLUSSSTEUERUNG
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