Automatisieren mit SPS Übersichten und Übungsaufgaben

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<strong>Automatisieren</strong> <strong>mit</strong> <strong>SPS</strong><br />

Übersichten <strong>und</strong> Übungsaufgaben<br />

ISBN 3-528-13960-9<br />

Wellenreuther, Günter<br />

Zastrow, Dieter<br />

Erläuterungen <strong>und</strong> Hinweise für Lehrer an beruflichen Schulen<br />

Übersicht:<br />

1. Inhalt des Buches........................................................................................................................ 1<br />

2. Konzeption <strong>und</strong> Lernmöglichkeit............................................................................................... 2<br />

3. Einsatz des Buches im lernfeldorientierten Unterricht ............................................................... 3<br />

4. Programmierung <strong>und</strong> Simulation................................................................................................ 4<br />

5. Erforderliche Programmiersoftware ........................................................................................... 5<br />

1. Inhalt des Buches:<br />

Kap 1. Einfache Programme im Baustein PROGRAMM (OB 1)<br />

<strong>SPS</strong>-System, Gr<strong>und</strong>verknüpfungen, Programmierung (STEP 7); Programmtest durch<br />

Simulation (PLCSIM); Programmaufbau <strong>und</strong> Variablendeklaration<br />

Kap 2.<br />

Kap 3.<br />

Kap 4.<br />

Kap 5.<br />

Kap 6.<br />

Kap 7.<br />

Kap 8.<br />

Kap 9.<br />

Zusammengesetzte Gr<strong>und</strong>verknüpfungen<br />

<strong>SPS</strong>-Programm aus Funktionstabellen<br />

Speicherfunktionen, Flankenauswertung,<br />

Umwandlung von Schütz- <strong>und</strong> elektropneumatischen Steuerungen<br />

Zeitfunktionen, Taktsignale<br />

Zählfunktionen, freigrafischer Funktionsplan<br />

Übertragungsfunktionen<br />

Vergleichsfunktionen; Sprünge<br />

Lineare Ablaufsteuerungen ohne Betriebsartenteil<br />

Funktionsplandarstellung; Bestimmungszeichen; Programmierung<br />

Lineare Ablaufsteuerung <strong>mit</strong> Betriebsartenteil<br />

Struktur einer Ablaufsteuerung; Betriebsartensignale; Bedienfeld; bibliotheksfähige Bausteine<br />

für Ablaufsteuerungen.<br />

Ablaufsteuerungen <strong>mit</strong> Verzweigung<br />

Alternativverzweigung; Simultanverzweigung; Kettenschleifen<br />

Bausteinauswahl<br />

FC oder FB<br />

Kap 10. Lösungsvorschläge Lernaufgaben<br />

Anhang: Anlagensimulation in der Automatisierungstechnik<br />

Sachwortverzeichnis<br />

Hinweisseite: Was bietet die (hinten) beiliegende CD

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2. Konzeption <strong>und</strong> Lernmöglichkeiten 2<br />

2. Konzeption <strong>und</strong> Lernmöglichkeiten<br />

In einigen elektrotechnischen <strong>und</strong> maschinenbautechnischen Berufen <strong>und</strong> in entsprechenden Fachschulen<br />

ist das Fachgebiet Automatisierungstechnik eng verknüpft <strong>mit</strong> Speicherprogrammierbaren<br />

Steuerungen in der Ausführung als Hardware- oder Software-<strong>SPS</strong>. In der Praxis der <strong>SPS</strong>-<br />

Programmierung haben sich inzwischen einschneidende Veränderungen auf Gr<strong>und</strong> der <strong>SPS</strong>-<br />

Programmiernorm durchgesetzt, die auch in den Unterricht Eingang finden müssen. Hinzu kommt,<br />

dass <strong>mit</strong> den neuen Lernfeldern erweiterte Bildungsziele gesetzt wurden aber die Lernmöglichkeiten<br />

der Schüler von Berufs- oder Technikerschulen im Bereich der <strong>SPS</strong> in der Regel seit Jahren<br />

unverändert geblieben sind. Die erweiterten Anforderungen erweisen sich als zeitaufwändig <strong>und</strong><br />

reduzieren den erforderlichen Übungsanteil im Unterricht. Mit dem einmaligen Bearbeiten einer<br />

komplexen Lernsituation ist der Lernerfolg erfahrungsgemäß nicht zu sichern. Intensives Üben <strong>mit</strong><br />

dem Ziel, die Gr<strong>und</strong>lagen auch selbst nachzuarbeiten <strong>und</strong> dabei die eigene Transferfähigkeit zu<br />

verbessern, müssen den Schülern überzeugend nahe gelegt werden. Das vorliegende Buch <strong>mit</strong><br />

seiner speziellen Konzeption, bestehend aus Übersichten, Einführungsbeispielen, Übungsaufgaben,<br />

Lösungsvorschlägen zur Selbstkontrolle <strong>und</strong> Simulationsmöglichkeiten sowie Software, kann den<br />

Schülern helfen, den Anforderungen gerecht zu werden.<br />

• Übersichten<br />

Jedes der neun Programmierkapitel beginnt <strong>mit</strong> einer tabellenbuchartig gestalteten Übersicht zu<br />

den betreffenden Gr<strong>und</strong>lagen bzw. Standards. Dazu zählen beispielsweise Regeln für die Bausteinauswahl<br />

(Funktion FC oder Funktionsbaustein FB), Anleitungen zur Variablendeklaration für ein<br />

an der <strong>SPS</strong>-Norm DIN EN 61131-3 orientiertes Programmieren, anwendbare Lösungsmethoden zur<br />

Umsetzung von Aufgabenstellungen in Programme <strong>und</strong> ein auf die im Kapitel angebotenen Ü-<br />

bungsaufgaben abgestimmter STEP 7- Befehlsvorrat, der sich in Schritten bis zur Programmierung<br />

von Ablaufsteuerungen, auch unter Verwendung vorgefertigter Bausteine für Ablaufketten <strong>und</strong><br />

Betriebsartenwahl, erweitert. Die Übersichten enthalten nur Fakten aber keine Erklärungen, für<br />

solche sei auf den Unterricht <strong>und</strong> ergänzend auf das weit verbreitete Lehrbuch <strong>Automatisieren</strong> <strong>mit</strong><br />

<strong>SPS</strong>, Theorie <strong>und</strong> Praxis, erschienen im Vieweg Verlag, verwiesen. Jede Übersicht schließt ab <strong>mit</strong><br />

einem Beispiel <strong>und</strong> seiner vollständigen Lösung zum Nachmachen <strong>und</strong> zur Vorbereitung auf die<br />

Übungsaufgaben.<br />

• Übungsaufgaben = Lernaufgaben + Kontrollaufgaben<br />

Die Übungsaufgaben umfassen einfache <strong>und</strong> komplexe Problemstellungen, die hier in projektorientierte<br />

Lernaufgaben <strong>und</strong> prüfende Kontrollaufgaben unterschieden werden <strong>und</strong> die durch eine stets<br />

angegebene Lösungsleitlinie zu selbstständigem Lernen anleiten soll. Die Übungsaufgaben sind<br />

neutral gestellt.<br />

Die Beschäftigung <strong>mit</strong> den Lernaufgaben hat die Aneignung der in den Übersichten angebotenen<br />

Gr<strong>und</strong>lagen zum Ziel <strong>und</strong> erfordert einen entsprechenden Zeitaufwand. Zur Eigenkontrolle von<br />

Lösungen ist eine Hardware-<strong>SPS</strong> nicht erforderlich, wohl aber ein Programmiersystem <strong>mit</strong> Simulationsprogramm.<br />

Dies kann z.B. STEP 7 <strong>mit</strong> PLCSIM (Siemens AG) oder CoDeSys (3S-Smart<br />

Software Solutions GmbH) sein.<br />

Das Bearbeiten der Kontrollaufgaben dient der Selbstkontrolle in Hinblick auf die Verfügbarkeit<br />

des Gelernten in Klassenarbeiten. Im Unterschied zu den Lernaufgaben, die <strong>mit</strong> einem <strong>SPS</strong>-<br />

Programm abschließen, verlangen die Kontrollaufgaben nur die gr<strong>und</strong>sätzlichen Lösungsschritte<br />

ohne Programmausführung.

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3. Einsatz des Buches im lernfeldorientierten Unterricht 3<br />

• Umfang der Lösungsvorschläge:<br />

Allgemeingültige Darstellungen, die je nach Aufgabenstellung eine Zuordnungstabelle für <strong>SPS</strong>-<br />

Eingänge/-Ausgänge, einen Funktionsplan, eine RS-Tabelle, ein Funktionsdiagramm, eine Schaltfolgetabelle;<br />

einen freigrafischen Funktionsplan oder einen Ablauf-Funktionsplan <strong>mit</strong> Transitionstabelle<br />

enthalten können.<br />

F<strong>und</strong>stelle: Buch, Kap. 10<br />

Programmdarstellungen für STEP 7 bestehend aus Deklarationstabellen für Variablen, einer Begründung<br />

für die Auswahl des verwendeten Bausteintyps (Funktion FC oder Funktionsbaustein<br />

FB) <strong>und</strong> die Bausteinaufrufe im Hauptprogramm OB1.<br />

F<strong>und</strong>stelle: Buch, Kap. 10<br />

STEP 7-Programme der Beispiele <strong>und</strong> Lernaufgaben (gepackt, entpacken in STEP 7 über Dearchivieren)<br />

zur Ausführung auf einer S7-<strong>SPS</strong> oder unter PLCSIM.<br />

F<strong>und</strong>stellen: CD in Buchrückseite oder bei www.automatisieren-<strong>mit</strong>-sps.de<br />

CoDeSys-Programme nach IEC 61131-3-Standard. Die Autoren wollen dem Wunsch vieler Lehrkräfte<br />

nach Siemens-unabhängigen Lösungen nachkommen <strong>und</strong> haben <strong>mit</strong> dem Erscheinen dieser<br />

2. Auflage für die Beispiele <strong>und</strong> Lernaufgaben eine CoDeSys-Lösung ins Netz gestellt.<br />

F<strong>und</strong>stelle: www.automatisieren-<strong>mit</strong>-sps.de<br />

Pdf-Dateien für die Kontrollaufgaben.<br />

F<strong>und</strong>stellen: CD in Buchrückseite oder bei www.automatisieren-<strong>mit</strong>-sps.de<br />

3. Einsatz des Buches im lernfeldorientierten Unterricht<br />

Lernfeld 7 bei Elektronikern für Automatisierungstechnik / Betriebstechnik umfasst einen sehr<br />

anspruchsvollen Lehrstoff, der jedoch nur unter aktiver Beteiligung der Schüler einschließlich<br />

häuslicher Aufgabenbearbeitung zu bewältigen sein dürfte. Das ist der Ansatzpunkt dieses unterrichtsbegleitenden<br />

<strong>SPS</strong>-Übungsbuches. Dabei erschließt sich der volle Nutzen des Buches jedoch<br />

nur für die Schüler, die einen eigenen PC <strong>mit</strong> der erforderlichen Programmier-Software am häuslichen<br />

Arbeitsplatz zur Fortführung der in der Schule begonnenen Lernaufgaben zur Verfügung haben.<br />

Die Programmier-Software muss ein Simulationsprogramm enthalten, um die Lernaufgaben<br />

unabhängig von einer <strong>SPS</strong>-Hardware testen zu können.<br />

Im lernfeldorientierten Unterricht sollen Lernaufgaben als Lernsituationen in enger Kooperation<br />

von Schule <strong>und</strong> Ausbildungsbetrieben so gestaltet werden, dass die fachlichen Qualifikationen<br />

ver<strong>mit</strong>telt <strong>und</strong> die Handlungskompetenz gefördert werden soll. Wie dieser Lernfeldansatz praktisch<br />

umgesetzt werden kann, bleibt den Lehrern <strong>und</strong> Ausbildern überlassen. Der Beitrag dieses kleinen<br />

Übungsbuchs zur <strong>SPS</strong>-Programmierung besteht jedoch darin, dass durchdachte Lernaufgaben <strong>mit</strong><br />

Lösungsvorschlägen in STEP 7- oder CoDeSys–Programmierung zusammen <strong>mit</strong> Materialien wie<br />

Übersichten, Programmierungsbausteinen <strong>und</strong> Anlagenmodellen sowie einem Bedienfeldvorschlag<br />

zur Verfügung gestellt werden.

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4. Programmierung <strong>und</strong> Simulation 4<br />

• Beispiel: Ablaufsteuerung <strong>mit</strong> Bedienfeld<br />

Wird für den Unterricht im Lernfeld 7 beispielsweise die Ablaufsteuerung als die wohl wichtigste<br />

Form einer <strong>SPS</strong>-Aufgabe ausgewählt, so könnte der Lehrer <strong>mit</strong> seinen Schülern vereinbaren, dass<br />

im Betrieb Bedienfelder von Maschinen zu erk<strong>und</strong>en sind, um dann im Unterricht herauszuarbeiten,<br />

was allen Bedienfeldern gemeinsam ist <strong>und</strong> welche Betriebsarten für Steuerungen vorzusehen<br />

sind, um auch die Arbeitssicherheit für den Maschinenbediener zu gewährleisten. Der Maschinenwerker<br />

geht schließlich davon aus, dass seine Maschine ihn selbst bei Fehlbedienungen nicht gefährden<br />

wird. Die Schüler könnten auch der Frage nachgehen, welche Programmteile der Steuerung<br />

<strong>mit</strong> dem Bedienfeld zusammenarbeiten <strong>und</strong> ob diese Programmteile standardisiert sind, weil sich<br />

doch die Bedienungsprobleme an jeder Maschine wiederholen. Wünschbar ist auch, wenn die<br />

Schüler im Betrieb selbst in Erfahrung bringen, warum gerade der Ablaufsteuerungstyp günstig ist,<br />

um bei Anlagenstillstand, schnell den Fehler zu finden, der ja meistens in der angeschlossenen<br />

Sensorik liegt. Eine solche Erk<strong>und</strong>ung würde die Einführung des Ablaufkettenprinzips im Unterricht<br />

durch mehr Schülerbeiträge sicher erleichtern <strong>und</strong> praxisnäher gestalten lassen. Die Beispiele<br />

zur Beteiligung der Schüler im Umfeld des Unterrichtsthemas ließen sich fortsetzen. Jedoch: Diesen<br />

Teil der Unterrichtsvorbereitung will <strong>und</strong> kann das kleine Übungsbuch zur <strong>SPS</strong>-<br />

Programmierung dem Lehrer nicht abnehmen <strong>und</strong> auch nicht den Schülern schriftlich vorgeben.<br />

Der Gr<strong>und</strong>: Das Lernmedium Buch hat seine Stärke nicht im situationsabhängigen Organisieren<br />

von Unterricht. Das können Lehrer oder Ausbilder vor Ort in Absprache <strong>mit</strong> ihren Schülern oder<br />

Auszubildenden viel besser <strong>und</strong> aktueller. Das Übungs-Fachbuch kann jedoch Lernaufgaben einschließlich<br />

der oben beschriebenen fachlichen Unterstützung als Teil einer Lernsituation anbieten<br />

<strong>und</strong> so z.B. helfen, eine komplexe Ablaufsteuerung <strong>mit</strong> Ablaufkette, Betriebsartenteil, Bedienfeld<br />

<strong>und</strong> ggf. sogar <strong>mit</strong> einer Anlagensimulation in kurzer Zeit <strong>und</strong> moderner Vorgehensweise in Betrieb<br />

zu nehmen, um daran selbstständig zu lernen. Eine geeignete Aufgabenstellungen zur Einführung<br />

wäre das Beispiel 7.1 (Biegewerkzeug <strong>mit</strong> Bedienfeld unter Verwendung von Bibliotheksbausteinen)<br />

<strong>und</strong> zur Übung die Lernaufgaben 7.1 (Rührkessel). Je nach zur Verfügung stehender Zeit,<br />

können zur Vertiefung noch die weitere Lernaufgaben 7.2 bis 7.5 bearbeitet werden. Jede dieser<br />

Aufgaben enthält eine kleine Anpassung des Bedienfeldes an die jeweilige Aufgabe. Da<strong>mit</strong> soll<br />

auch gezeigt werden, wie trotz erforderlicher Standardisierung flexibel auf die Erfordernisse der<br />

jeweiligen Anlage reagiert werden kann. Zur Lernerfolgskontrolle kann eine Auswahl der Kontrollaufgaben<br />

7.1 bis 7.6 in einer Klassenarbeit verwendet werden.<br />

4. Programmierung <strong>und</strong> Simulation<br />

Aufgabenlösungen können nicht rein theoretisch bleiben, sondern verlangen nach einer<br />

Ausführungskontrolle. Im Laborbetrieb der Schule steht dafür eine entsprechende <strong>SPS</strong>-Hardware-<br />

Ausrüstung zur Verfügung stehen. Für den eigenen Computer zu Hause genügt in den meisten Fällen<br />

das zum verwendeten <strong>SPS</strong>-Programmiersystem gehörende Simulationsprogramm, um die Funktion<br />

einer eigenen oder im Buch <strong>mit</strong>gelieferten Programmierlösung zu testen.<br />

Eine neue Qualität erhält Simulationen durch dynamisierte Anlagenmodelle passend zu den Aufgabenstellungen.<br />

Zwei vollfunktionsfähige Anlagensimulationen zeigen wie es geht. Die in der Buchrückseite<br />

beiliegende CD enthält die Anlagen-Simulationen “Biegewerkzeug“ <strong>und</strong> “Rührkessel“<br />

aus dem Kapitel 7, die in eine SIMIT Runtime-Version integriert sind <strong>und</strong> alle Funktions- <strong>und</strong><br />

Kopplungsmöglichkeiten der Vollversion des Programms erlaubt. Eine Kurzanleitung befindet sich<br />

auf der CD.

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5. Erforderliche Programmier-Software 5<br />

Um fortgeschrittenen Benutzern dieses Buches den Arbeitsaufwand zum Erstellen der Anlagenmodelle<br />

zu ersparen, stehen dynamisierte Anlagenmodelle für alle Beispiele <strong>und</strong> Lernaufgaben kostenfrei<br />

zur Verfügung (interessant für Lehrer, allerdings benötigt man dann auch das Simulationsprogramm<br />

SIMIT).<br />

F<strong>und</strong>stellen: CD in der Buchrückseite <strong>und</strong> bei www.automatisieren-<strong>mit</strong>-sps.de<br />

5. Erforderliche Programmier-Software<br />

Dieses Lernbuch führt auf praxisgerechtem Wege in die <strong>SPS</strong>-Programmierung ein. Dabei erschließt<br />

sich der volle Nutzen des Buches jedoch nur für die Schüler, die für ihren eigenen PC die erforderliche<br />

Software zur Verfügung haben.<br />

Wegen der Übereinstimmung <strong>mit</strong> der auf STEP 7 bezogenen Übersichtsseiten ist dem Buch die<br />

Programmier-Software STEP 7 V5.3 <strong>mit</strong> S7-Graph, S7-SCL <strong>und</strong> S7-PLCSIM auf CD in einer 14<br />

Tage-Version zum Kennenlernen beigefügt. Voraussetzung ist das PC-Betriebssystem Windows<br />

XP-Professional (eventuell genügt auch Windows XP-Home <strong>mit</strong> Servicepack 2 oder Windows<br />

2000-Professional auf dem Rechner).<br />

Zum Lernen benötigt man selbstverständlich eine wesentlich längere Nutzungszeit, d.h. die Schule<br />

muss hier helfen, um den Schülern die erforderliche Lizenz einer kostengünstigen Schüler-Version<br />

zu ver<strong>mit</strong>teln. Hier bietet Siemens derzeit eine Hausaufgabensoftware <strong>mit</strong> einer Laufzeit von 365<br />

Tage an. Diese ist allerdings nur erhältlich, wenn an der Schule ein STEP7-Trainerpackage vorhanden<br />

ist. Nähere Informationen siehe www.siemens.de/sce.<br />

Wird die <strong>SPS</strong>-Programmierung unter CoDeSys gelehrt, so kann diese <strong>SPS</strong>-Programmiersoftware<br />

von der Homepage der Firma 3S-Smart Software Solution unter<br />

www. 3s-software.com<br />

nach Registrierung <strong>und</strong> Passwort<strong>mit</strong>teilung kostenlos heruntergeladen werden. Die Web-Adresse<br />

für die Lösungsvorschläge der Lernaufgaben wurde bereits vorne angegeben.<br />

Anmerkung zur 2. Auflage:<br />

Dieses <strong>SPS</strong>-Übungsbuch in der 2. Auflage ist ein komplettes Lehrsystem, an dessen Verbesserung<br />

<strong>und</strong> Fortentwicklung weiter gearbeitet wird. Auf Gr<strong>und</strong> von Anregungen aus dem Leserkreis wurde<br />

bei der 2. Auflage das Einstiegskapitel neu gestaltet <strong>und</strong> müsste jetzt auch von reinen Anfängern<br />

ohne Hilfe zu bewältigen sein. Dieses erste Kapitel führt den <strong>SPS</strong>-Aufbau, die zyklische Programmabarbeitung<br />

sowie die Gr<strong>und</strong>verknüpfungen UND, ODER, NICHT ein <strong>und</strong> zeigt an Beispiel,<br />

wie ein <strong>SPS</strong>-Projekt unter STEP 7 angelegt wird. Zwei einfache Gr<strong>und</strong>verknüpfungen werden ohne<br />

Variablendeklaration programmiert <strong>und</strong> <strong>mit</strong> PLCSIM simuliert ausgeführt. Anschließend werden<br />

die ersten Gr<strong>und</strong>lagen für ein Programm <strong>mit</strong> Variablendeklaration vorgestellt <strong>und</strong> in einem Beispiel<br />

angewendet, das zum Kennenlernen des Handlings einfach nachgemacht werden sollte. Lern<strong>und</strong><br />

Übungsaufgaben beginnen in Kapitel 2.<br />

Lehrer, die sich selbst <strong>mit</strong> diesem Lehr<strong>mit</strong>tel befasst haben, werden die zusätzliche Mühe gerne in<br />

Kauf nehmen, um Schülern die Tür zu diesem Lernraum aufzumachen.<br />

Günter Wellenreuther, Mannheim<br />

Dieter Zastrow, Ellerstadt August 2005