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Ingenieurbüro Dr. KahlertSoftware-Engineering & Automatisierungstechnik

Produktübersicht 2016

INHALT

WinFACT - Add Ons 8

Regelungstechnische Kompaktmodelle 13

Virtuelle Anlagenmodelle 15

Sonstiges 18

WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools 3


WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools


Übersicht

WinFACT ist ein innovatives, modular aufgebautesProgrammsystem, das einerseits Werkzeuge zur Analyse,Synthese und Simulation konventioneller Regelungs-systeme zur Verfügung stellt, andererseits aber insbeson-dere auch Komponenten zur Behandlung von Fuzzy- undNeuro-Systemen beinhaltet. WinFACT besteht aus einerZusammenstellung einzelner, im Prinzip unabhängiger undbeliebig kombinierbarer Programmmodule, zwischen denenauf äußerst einfache Weise ein Datentransfer überverschiedene Kommunikationskanäle möglich ist. Durch dieVielzahl verfügbarer Lizenzformen und den konsequentmodularen Aufbau ist WinFACT mehr denn je das optimaleWerkzeug für Lehre, Forschung und Entwicklung:

Für die durch die Vielzahl virtueller Hardware-komponenten und Streckenmodelle sowievorkonfigurierte Software-Praktika

Lehre

Für die durch Integration intelligenterTechnologien wie Fuzzy-Logik, Neuronale Netze undGenetische Algorithmen

Forschung

Für die durch flexible Hardware- undProzessschnittstellen

Entwicklung

Identifikation linearer Systeme anhand von Messdaten

Ermittlung von Sprungantwort und Bode-Diagrammzusammengesetzter Systeme

Reglerentwurf nach Einstellregeln ("Faustformeln")

Systemanalyse durch Berechnung der Sprungantwort, desFrequenzgangs oder der Wurzelortskurve

Entwurf und Simulation von Zustandsregelkreisen

Experimentelle Ermittlung des Frequenzgangs in Form vonBode-Diagramm und Nyquist-Ortskurve

Entwurf und Simulation von Fuzzy-Regelkreisen

Grafische Aufbereitung, Export und Dokumentation vonMesswerten, Simulationsergebnissen usw.

Das Programmsystem enthält alle Komponenten, die zurAnalyse und Synthese konventioneller Regelkreiseerforderlich sind. Den Kern bildet dabei das

Hinzukommen Module u. a. für folgende Aufgabenstellungen:Blockorientierte Simulationssystem BORIS.

WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools4



Fuzzy-Systeme werden in WinFACT mit Hilfe einerkomfortablen Fuzzy-Shell entworfen. Diese erlaubt diegrafische, mausgesteuerte Definition der Fuzzy-Mengenund der Regelbasis. Die Regeln können wahlweise inTabellen-, Matrix- oder Textform eingegeben werden, wobeijederzeit zwischen den unterschiedlichen Darstellungsartenumgeschaltet werden kann. Auf Wunsch können die Regelnzusätzlich mit einer Gewichtung versehen werden. DieFuzzy-Mengen können als Singletons oder dreieck- bzw.trapezförmig angesetzt werden. Zur Inferenz und Defuzzi-fizierung steht eine Vielzahl unterschiedlicher Mechanismenzur Auswahl. Die mit der Fuzzy-Shell entworfenen FuzzyController können ohne Umweg direkt in die blockorientierteSimulation BORIS eingebunden werden. Auf diese Weiselassen sich selbst hochkomplexe hybride Regelkreise aufeinfache Weise simulieren. Während der Simulation stehtein spezieller Fuzzy-Debugger zur Verfügung, der demAnwender stets Klarheit darüber verschafft, was im Innerendes Fuzzy Controllers abläuft. Nach dem Entwurf des FuzzyControllers kann dieser bei Bedarf direkt in ANSI-C-Codeüberführt werden, der dann auf entsprechende Hardwareportiert werden kann. Die dabei verwendeten Datentypensind vom Anwender wählbar, sodass auf diese Weise eineoptimale Anpassung an die Zielhardware erfolgen kann.

Blockorientierte Simulation BORIS

Das WinFACT-Kernmodul, das Blockorientierte Simulations-system BORIS, ist aufgrund seiner Konzeption neben derprädestinierten Anwendung als Simulationswerkzeug auchin den Bereichen Messdatenerfassung und -verarbeitung,Steuerung und Regelung einsetzbar. Im Gegensatz zuvielen herkömmlichen Simulationssystemen ermöglichtBORIS die direkte Einbindung von Fuzzy- und Neuro-Systemen in die Simulation und eignet sich damit insbeson-dere auch für Anwendungen im Bereich Fuzzy-Logik undFuzzy Control.

Durch die hierarchische Gruppierung von Teilsystemen zuso genannten Superblöcken können auch komplexeSysteme übersichtlich gestaltet werden.

Zur Konfigurierung der Simulationsstruktur werden einfachsystemspezifische Icons auf dem Arbeitsblatt platziert undmiteinander verbunden. Dabei sorgt der integrierteAutorouter für eine möglichst optimale Positionierung der(auf Wunsch mehrfarbigen) Verbindungen. Auf Basis einerVielzahl von Editierfunktionen kann die Systemstruktur inkomfortabler Weise Schritt für Schritt aufgebaut werden.

BORIS stellt umfangreiche Möglichkeiten der Simulations-steuerung zur Verfügung. Hierzu zählen Endlos-, Einzel-schritt- und Echtzeitsimulationen, das Setzen von Break-points sowie verschiedene Integrationsverfahren. ZurVisualisierung von Simulations- und Messergebnissen undzur interaktiven Steuerung des Programmablaufs bietetBORIS dem Anwender eine Vielzahl von virtuellenInstrumenten und Aktionsblöcken an, die ihm den Eindruckvermitteln, inmitten eines realen Labors zu sitzen - eineWirkung, die besonders für den Einsatz im Rahmen derAusbildung von wesentlicher Bedeutung ist.

Gruppierung von Teilsystemenzu Superblöcken

BORIS bietet dem Anwender eine umfangreiche Bibliothekan Systemblocktypen aus den Bereichen Signalgenera-toren, lineare und nichtlineare Übertragungsglieder,zeitdiskrete Systeme, Statistik, Digitaltechnik, Dateiein- und-ausgabe sowie virtuelle Instrumente. Diese Bibliothek kannvom Anwender auf einfache Weise durch Programmierungeigener Blocktypen (sog. User-DLL-Blöcke) erweitertwerden.




Durch die Vielzahl an virtuellen Instrumenten und Aktions-blöcken erlaubt BORIS die Durchführung interaktiverExperimente mit der Möglichkeit, jederzeit direkt in denAblauf einzugreifen und damit auf komfortable Weiseaussagekräftige Studien durchzuführen.

BORIS besitzt für unterschiedliche Aufgabenstellungen eineVielzahl von Betriebsarten. Neben der “normalen” Simula-tion kann auch eine Endlossimulation oder ein Betrieb inEchtzeit mit Abtastraten bis unter 1 ms erfolgen. Durch dieMöglichkeit, Breakpoints zu setzen, können bestimmteSituationen gezielt angefahren werden. Darüber hinaus sindganze Simulationsserien möglich (Batch-Betrieb), um z. B.den Einfluss von Parametervariationen auf die System-dynamik zu untersuchen. Neben dem Zeitverhalten kannauch das Verhalten im Frequenzbereich (Bode-Diagrammbzw. Nyquist-Ortskurve) analysiert werden.

Zur numerischen Online-Optimierung von System-parametern - z. B. den Parametern eines PID-Reglers -bietet BORIS leistungsfähige Evolutionsstrategien(Genetische Algorithmen) an, die sich nicht nur durch ihreschnelle Konvergenz auszeichnen, sondern insbesondereauch durch die hohe Zuverlässigkeit, mit der das globaleOptimum gefunden wird. Das Gütekriterium (Optimierungs-kriterium) kann direkt grafisch innerhalb der BORIS-Simu-lationsstruktur spezifiziert werden. Für alle zu optimierendenSystemparameter können bei Bedarf Ober- und Unter-grenzen vorgegeben werden, die dann während derOptimierung automatisch eingehalten werden. VerschiedeneStrategieparameter erlauben dem erfahrenen Anwenderzudem eine Kontrolle über das Optimierungsverfahren, umsomit eine noch höhere Konvergenzgeschwindigkeit odereine verstärkt globale Suche nach dem Systemoptimum zuermöglichen.

Systemblock auch ein separates Visualisierungsfensterbesitzen, welches während der Simulation alle relevantenGrößen anzeigt und beispielsweise auch das Aufschaltenvon Störgrößen ermöglicht. Alle Streckentypen können aufWunsch mit einer nichtlinearen Kennlinie versehen werden;auch die Ermittlung des Strecken-Frequenzgangs istmöglich. Folgende Strecken stehen zur Verfügung:

Speziell für die Ausbildung bietet BORIS insgesamt fünfintegrierte industrielle Regelstrecken an, die vom Anwenderfrei konfiguriert werden können und neben dem normalen

Drehfrequenzstrecke (Motor-Generator-Satz)

Temperaturstrecke (Raum mit Heizung)

Füllstandsstrecke (Tank)

Lichtstrecke (Raum)

Positionierstrecke (Spindelantrieb)

Neben den Standard-Systemblöcken bietet BORIS eineReihe spezieller Blocktypen an, die weitergehende Möglich-keiten insbesondere für fortgeschrittene Anwendungen derSteuer- und Regelungstechnik erschließen:

Das erweitert die standardmäßigverfügbaren Möglichkeiten zum Entwurf von PID-Reglernbeträchtlich. Es ermöglicht den wahlweise manuellen oderauch automatischen Entwurf kontinuierlicher und zeitdiskre-ter PID-Regler anhand einer Vielzahl unterschiedlicherStreckenapproximationen und Entwurfsverfahren. Dazugehören die Entwurfsverfahren nach Ziegler/Nichols, Chien,Hrones und Reswick, Oppelt oder auch die T-Summen-Regel, ebenso der Entwurf digitaler Regler nach Takahashi.

PID Design Center

Für die Streckenanalyse und den Reglerentwurf reicht esaus, dem PID Design Center-Systemblock die Streckenein-und -ausgangsgröße zuzuführen. Beide Größen könnendann innerhalb des Entwurfsfensters vor dem Reglerentwurfauf einen frei wählbaren Arbeitspunkt normiert und beiBedarf auf ein Zeitfenster beschränkt werden. Die jeweilsverwendete Einstellregel wird zur Kontrolle grafisch formel-mäßig angezeigt.


WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools6


Das ermöglicht die auto-matische Identifikation linearer Systeme mit und ohneAusgleich anhand ihrer Sprungantwort. Folgende Verfahrenstehen dazu zur Verfügung:

System Identification Center

Verfahren nach Küpfmüller

Verfahren nach Strejc für P-T (-T )- bzw. I-T (-T )-Strecken

1 t 1 t

Verfahren nach Naslin für aperiodische P-T (-T )- bzw.I-T (-T )-Strecken

2 t

2 t

Wendetangenten-Verfahren für aperiodische P-T (-T )-bzw. I-T (-T )-Strecken

2 t

2 t

Verfahren nach Thal-Larsen für P-T (-T )- bzw. I-T (-T )-Strecken

3 t 3 t

Verfahren für schwingfähige P-T (-T )- bzw. I-T (-T )-Strecken

2 t 2 t

Verfahren der Zeitprozentkennwerte für P-T (-T )- bzw.I-T (-T )-Strecken

n t

n t

BORIS bietet vielfältige Möglichkeiten zur Kommunikationmit anderen Anwendungen. So lassen sich über DDE z. B.Daten in oder aus Anwendungen wie EXCEL oder LabViewportieren. Über TCP/IP- oder UDP-Blöcke lässt sich eineKommunikation auch über Rechnergrenzen hinwegaufbauen. Auf diese Weise sind auch verteilte Simulationenoder ferngesteuerte Messungen realisierbar.

Mit Hilfe des integrierten Dokumentgenerators lassen sichdie erstellten Systemstrukturen jederzeit im RTF-Formatausführlich dokumentieren. Die Systemstruktur kanndarüber hinaus sowohl im BMP- als auch im vektor-orientierten WMF-Format exportiert werden, sodass eineWeiterverarbeitung mit praktisch allen Grafikprogrammen(PaintShop, CorelDraw, ...) möglich ist.

Das ermöglicht es dem Anwender, aufeinfache und komfortable Weise mit Hilfe von VBScriptBORIS-Systemblöcke zu programmieren. VBScript ist einean Visual Basic angelehnte Skriptsprache und Bestandteilvon Windows. Um VB-Skripte ausführen zu können, istweder ein Kompilieren noch ein Linken von Dateien not-wendig.

VBScript-Modul

Die wichtigsten Leistungsmerkmale in Stichworten:

Komfortabler Built-in Editor mit Syntax-Highlighting

Automatische Zuordnung von Blockein- und -ausgängen

Syntax-Check

Benutzerdefinierte Ein- und Ausgangsnamen

Einbinden von externen ActiveX-Komponenten undSkripten

Spezifizierung von Initialisierungs- undTerminierungscode

Treiber und Prozessschnittstellen

Verfügbarkeit

Alle WinFACT-Systemkomponenten können unabhängigvoneinander oder in verschiedenen Kombinationen bezogenwerden. Für den Einsatz in der Lehre sind ermäßigteIndustrielizenzen sowie kostengünstige Studienlizenzen undKopierlizenzen für die Schüler/Studenten verfügbar.WinFACT erhalten Sie in den Sprachen deutsch undenglisch.

BORIS ist nicht nur als reines Simulationswerkzeug nutzbar,sondern erlaubt über eine Vielzahl unterschiedlicherProzessschnittstellen auch eine Kommunikation mit der“Außenwelt”, beispielsweise zur Durchführung von“Hardware-in-the-loop”-Simulationen, bei denen ein inBORIS realisierter Regler eine reale Strecke ansteuert oderumgekehrt. Alle Prozessschnittstellen können direkt aus derBORIS-Umgebung heraus über entsprechende I/O-System-blöcke angesprochen werden. Über PC-Einsteckkarten oderz. B. USB-I/O-Module mit analogen/digitalen Ein- undAusgängen kann eine unmittelbare Online-Ankopplung vomPC an den Prozess erfolgen. Diese besonders für dieEntwicklungsphase bzw. den Ausbildungsbereich prädesti-nierte Realisierungsform erlaubt Abtastzeiten hinunter bisunter 1 ms. WinFACT verfügt über entsprechende Treiberfür alle handelsüblichen Module. Beispiele dafür sind

Auch für den Datenaustausch mit speicherprogrammier-baren Steuerungen (SPS) bzw. Automatisierungssystemennahezu aller Hersteller stehen entsprechende Treiber zurVerfügung. Hierzu gehören beispielsweise

Ebenfalls unterstützt werden die in der Automatisierungs-technik verbreiteten Bussysteme wie

Externe I/O-Module mit serieller Schnittstelle bzw. USB-oder Ethernet-Anschluss (LabJack- und ME-RedLab-Module, FESTO EasyPort, GANTNER-ISM-Module,ADAM-Module, Velleman-Boards, TinkerForge-Sensor/Aktor-Module, LEYBOLD CASSY, ...)

Frei programmierbare Microcontroller-Boards bzw. PC-Module (Arduino-Baureihe, Raspberry Pi, ...)

Siemens S7-Baureihe (S7-200/300/400/1200/1500)

MODBUS

CAN-Bus

AS-Interface

Siemens LOGO! (ab Baureihe 0BA7)

EATON easy-Module

Beckhoff TwinCAT (über ADS)

WAGO I/O System 750

Phoenix Contact-Steuerungen

Sollen Daten mit Prozessleitsystemen ausgetauschtwerden, empfiehlt sich dazu die separat erhältliche OPCClient/Server Toolbox für BORIS.

Fotos: Siemens AGPC-Einsteckkarten für den ISA-, PCI- oder PCI Express-Bus, beispielsweise von den Firmen NationalInstruments, Meilhaus, WASCO, Advantech oder BMC




� http://www.kahlert.com/web/uebersichtwf.php

Flexible Animation Builder8

Flexible Animation Builder


Der (kurz FAB) für WinFACTerlaubt die interaktive Erstellung einfacher bis komplexerProzessvisualisierungen, Animationen und Bedienober-flächen für das blockorientierte Simulationssystem BORIS.Die Entwicklung der Animationen erfolgt komfortabel perDrag & Drop, sodass keinerlei Programmierkenntnisseerforderlich sind. Eine auf diese Weise erstellte Visualisie-rung oder Bedienoberfläche wird wie ein "normaler" System-block in eine BORIS-Struktur eingebunden und mit denanderen Systemblöcken verknüpft. Die Erstellung derAnimationen kann wahlweise direkt innerhalb von BORISoder aus einer Stand-Alone-Version des Animation Builderserfolgen. Die Grundlage bildet jeweils eine umfangreicheBibliothek an Grafik- und Bedienelementen, die für dievielfältigsten Aufgaben zum Einsatz kommen können.Linien, Kreise, Rechtecke, Bitmaps, formatierbareAusgabefelder, Schalter, Taster, Schieberegler, LEDs,Analog- und Digitalinstrumente, Ventile, Zylinder, Lauf-bänder, vorgefertigte Animationen u. v. m. stehen zurVerfügung. Parallel dazu wird eine Sammlung unterschied-lichster, skalierbarer Bitmap-Grafiken mitgeliefert, die vomAnwender um eigene Grafiken ergänzt werden kann.


Alle Visualisierungs- und Bedienelemente können beliebigplatziert, skaliert und miteinander verknüpft werden. Durchdie Möglichkeit, Elementeigenschaften (z. B. Position oderGröße) an einzelne Blockein- oder -ausgänge anzukoppeln,lassen sich statische und dynamische Visualisierungenjeglicher Art realisieren. Weiterhin besteht die Möglichkeit,einzelne Elemente unabhängig voneinander zu- oderabzuschalten. Da es sich beim FAB-Kernel um eine DLLnach dem BORIS-User-DLL-Standard handelt, kann der

FAB nicht nur als Tool innerhalb von BORIS, sondern auchvöllig unabhängig davon als eigenständige Prozessvisuali-sierung für andere Applikationen - z. B. vom Anwenderselbst programmierte Anwendungen - benutzt werden. Dazumuss der Anwender lediglich die entsprechenden Schnitt-stellenfunktionen in sein Programm einbinden und kanndann auf einfache und komfortable Weise Ausgaben seinesProgramms visualisieren bzw. Eingaben für sein Programmerzeugen.

Nachfolgend einige weitere Leistungsmerkmale desaktuellen Release:

Optionaler Fenstermanager zur komfortablen Verwaltungmehrerer FAB-Visualisierungsfenster zur Laufzeit

Eingangsgesteuertes Anzeigen und Verbergen desVisualisierungsfensters

Formel-Syntaxüberprüfung bereits zur Entwurfszeit

Steuerbare Elementfarben und Füllmuster

Deaktivierung von Bedienelementen während derSimulation möglich

Auf Knopfdruck aufklappbare Visualisierungs- undBedienfenster

Integrierbare Online-Hilfe

Verwendung von Konstanten

Automatische Erzeugung von Bitmap-Sequenzenmöglich, die dann in Animated GIFs (z. B. zur Einbettungin Präsentationen oder Webseiten) überführt werden

Umfangreiche Bitmap-Bibliotheken

Umfangreiche Beispielsammlung im Lieferumfang

Spezielle Schaltflächen zur Simulationssteuerung, zumDrucken, zum Aufruf externer Programme etc.

Selektieren und Verschieben von Elementen mit derMaus (Drag & Drop) oder über Navigationstasten

Auch die Oberflächen unserersowie unserer

wurden mit dem Flexible Animation Builder erstellt.

RegelungstechnischenKompaktmodelle Virtuellen Anlagen-modelle

Nachfolgende Screenshots zeigen einige Beispiele fürVisualisierungen, die mit dem FAB erstellt wurden.

Drei-Silo-Anlage (Fa. Vattenfall)

Durch das Konzept der FAB-I/O-Blöcke wird die für BORISsonst übliche Beschränkung auf 50 Blockein-/ausgängeaufgehoben. Zusätzlich dazu kann jeder FAB-Block nämlichbis zu 200 weitere "externe" Ein-/Ausgänge besitzen, dieinnerhalb der Visualisierungs- oder Bedienoberfläche völliganalog zu den "echten" Blockein- und -ausgängen benutztwerden können. Bereits zur Entwurfszeit können dieseexternen Ein- und Ausgänge - wie auch die Standard-I/Os -für Testzwecke im I/O-Kontrollfenster der FAB-Entwicklungs-oberfläche modifiziert bzw. angezeigt werden.

Auslagerung von Texten (z. B. Beschriftungen vonSensoren/Aktoren) in Dateien möglich (z. B. fürmehrsprachige Anwendungen)

Flexible Animation Builder 9



Stirling-Motor(aus: Nollau, R.: Modellierung und Simulation technischer Systeme)

Virtueller Laborversuch “Füllstandsregelung”(Hochschule Bochum, Prof. M. Pohl)

� http://www.kahlert.com/web/fab.php

In den Anfangszeiten von Windows galtDynamic Data Exchange (DDE) als dieprädestinierte Schnittstelle für den Austauschvon Informationen zwischen Windows-Applikationen. Seit längerer Zeit hat sich jedochOPC als standardisierte Schnittstelle für den

Austausch von Prozessdaten zumindest in der PC-basiertenAutomatisierungstechnik durchgesetzt. OPC bedeutet OLEfor Process Control und stellt eine Anwendung von Micro-softs DCOM-Technologie (Distributed Component ObjectModel) dar. Gegenüber DDE zeichnet sich der OPC-basierte Datenaustausch insbesondere durch eine wesent-lich höhere Performance aus. Die

versetzt BORIS in die Lage, wahlweise als OPC-Server oder auch als OPC-Client zu arbeiten. Dadurch wirdes möglich, zwischen BORIS und anderen Applikationen,die entsprechend OPC-Client- bzw. OPC-Server-Funktiona-lität aufweisen, unmittelbar Daten und Informationenauszutauschen. BORIS kann somit einerseits z. B. alsStrecken- oder Prozesssimulator (OPC-Server) arbeiten, dermit einem als OPC-Client fungierenden Regler gekoppeltwird, andererseits kann aber auch BORIS als OPC-Clientdie Reglerrealisierung für einen Prozess mit OPC-Server-Funktionalität übernehmen.

OPC Client/Server-Toolbox

BORIS als OPC-Client

BORIS als OPC-Server

OPC-Server 1

OPC-Server 2

OPC-Server i

BORIS

OPC-Client

OPC-Client 1

OPC-Client 2

OPC-Client i

BORIS

OPC-Server

aufgelistet. Der Verbindungsaufbau zum Server und auchdie Freigabe der Verbindung erfolgen vollautomatisch.

Der Einsatz von BORIS als OPC-Server ist dann sinnvoll,wenn mit einem oder mehreren OPC-Clients Datenausgetauscht werden sollen. Über entsprechende Blöckekann BORIS dabei sowohl Daten ausgeben als auch Datenvom OPC-Client (oder auch mehreren Clients) empfangen.

Über die OPC-Client-Systemblöcke wird BORIS in die Lageversetzt, Daten aus OPC-Servern zu lesen oder (sofern derOPC-Server dies gestattet) auch Daten in den Server zuschreiben. Selbstverständlich kann BORIS bei Bedarf auchmit mehreren unterschiedlichen OPC-Servern gleichzeitigkommunizieren. Zur Konfigurierung der Blöcke steht einkomfortabler Dialog zur Verfügung, der eine hierarchischeDarstellung aller Server Tags in einer Baumstruktur bietet.Zur Auswahl des Servers werden dem Anwender alle lokaloder auf einem Remote-Rechner verfügbaren OPC-Server

OPC Client/Server Toolbox10


OPC Client/Server Toolbox

OPC-Server- und OPC-Client-Funktionalität sind sowohl ineiner gemeinsamen Toolbox als auch getrennt voneinanderverfügbar. Neben den eigentlichen BORIS-Systemblöckenenthalten die Toolboxen für Testzwecke jeweils als eigen-ständige Applikation sowohl einen einfachen OPC-Test-server als auch einen OPC-Testclient. Zum Lieferumfangder Toolbox gehört weiterhin ein universeller (d. h. unabhän-gig von BORIS lauffähiger) OPC-Server, der z. B. zumDatenaustausch zwischen verschiedenen OPC-Clientsbenutzt werden kann. Dieser Server kann per Datei konfi-guriert werden und unterstützt sämtliche OPC-Datentypen.Die Anzeige erfolgt sowohl in Listenform als auch in Gestalteiner Baumansicht. Der universelle OPC Server kann aufWunsch auch separat erworben werden.

� http://www.kahlert.com/web/opc.php

Mitunter kann es recht aufwändig sein, komplexeresteuerungstechnische Aufgaben in BORIS zu erledigen. MitHilfe der kann diese Anforderung in standardi-sierter Form erfolgen. Die SPS enthält eine vollwertigeintegrierte Entwicklungsumgebung zur Eingabe derAnweisungsliste nach IEC 61131-3. Die wesentlichenMerkmale der Umgebung sind:

Soft-SPS

Direkt adressierbarer Merkerspeicherbereich

Definition von Ein- und Ausgangsvariablen sowie lokalenVariablen

Datentypen BOOL, BYTE, INT, DINT, WORD, DWORD,REAL, TIME

Operatoren zum Laden und Speichern (LD, LDN, ST,STN, ...)

Boolesche Operatoren (S, R, AND, OR, XOR, NOT,ANDN, ...) und Vergleichsoperationen (LT, GT, GE, ...)

Schiebeoperationen (SHL, SHR, ROL, ROR)

Sprungfunktionen (JMPL, JMP, JMPC, JMPCN, RET, ...)

Arithmetische Operatoren (ABS, NEG, MUL, DIV, ...)

Implizite und explizite Typkonvertierung

Der eingegebene Code wird kompiliert und ist entsprechendschnell. Die AWL-Befehle entsprechen denen der Norm IEC61131-3, sind leicht verständlich und von der Bedeutung herkonsistent. Durch die Standardfunktionsbausteine TP, TON,TOF, CTU, CTD und CTUD lassen sich mit wenig AufwandZähl- und Zeitfunktionen erstellen. Die Standardfunktions-bausteine R_TRIG und F_TRIG bieten eine vorgefertigteFlankenerkennung. Einige weitere Merkmale in Kürze:

Syntax-Highlighting

Schneller Compiler

Intelligente automatische Code-Vervollständigung

Debugging mit Haltepunkten, Variablenauswertung,Stack- und Merkeranzeige etc.

Speichern von Desktop-Ansichten

Soft-SPS 11


Soft-SPS

Als Stand-Alone-System mit interaktiver Ein- undAusgabe von Variablen oder Datenaustausch über OPC.Für diese Betriebsart ist keine Lizenz von BORIS oderanderen WinFACT-Modulen erforderlich.

Als Systemblock für das blockorientierte Simulations-system BORIS. Dabei können innerhalb einer BORIS-Systemstruktur beliebig viele Soft-SPS-Systemblöckeeingesetzt werden.

Die SPS kann in zwei Betriebsarten benutzt werden:

Im Lieferumfang sind jeweils sowohl das Stand-Alone-System als auch der BORIS-Systemblock und eineumfangreiche Dokumentation enthalten.

� http://www.kahlert.com/web/softsps.php

In Zeiten leerer Kassen ist die umfangreiche Ausstattungvon Labors mit Modellstrecken, Funktionsgeneratoren,Oszilloskopen und Messinstrumenten mehr und mehr einschöner Traum. Daher bieten wir sogenannte

an, die als Ergänzung oderAlternative zu herkömmlichen Praktikumsversuchenvollkommen ohne Hardware auskommen, ohne jedoch anAnschaulichkeit einzubüßen. Die Software-Praktikabasieren auf den WinFACT-Studienlizenzen und wendensich vor allem an Berufsschulen und Fachhochschulen.Jedes Praktikum behandelt ein abgeschlossenes Themen-gebiet und besteht aus folgenden Komponenten:

Regelungs-technische Software-Praktika

Einer ausführlichen Versuchsanleitung im Ringordner(DIN A4-Format), bestehend aus einer Einführung in dentheoretischen Hintergrund sowie detailliertenAufgabenstellungen mit Musterlösungen

Einem Satz hochwertiger Farbfolien zur Overhead-Projektion bzw. als PowerPoint-Präsentation, die denInhalt der Versuchsanleitung in stichpunktartiger Formwiedergeben

Zahlreichen WinFACT-Beispieldateien mitAufgabenstellungen und Lösungsvorschlägen. AlleBeispieldateien enthalten umfangreiche Steuerungs- undVisualisierungsfunktionen, insbesondere zur Strecken-und Reglerdarstellung. Der Schüler "vergisst" dabeinahezu vollständig, dass er nicht vor realen Geräten,sondern vor einem PC (mit all seinen Vorteilen,insbesondere bezüglich Betriebssicherheit undEnergieverbrauch...) sitzt.

Folgende Modellstrecken kommen in den Praktika u. a. zumEinsatz:

Regelungstechnische Software-Praktika12


Regelungstechnische Software-Praktika

Mischwasserstrecke

Dreitanksystem

Niveaustrecke (Einzeltank)

Gleichlaufregelung

Flugzeug-Lageregelung

Wippe mit Ball

Spindelantrieb

Inverses Pendel

Temperaturstrecke

Rührkesselkaskade

Rührkesselreaktor

Lichtstrecke

Verladekran

Motor-Generator-Satz

Zurzeit werden folgende Praktika angeboten (benötigeWinFACT-Komponenten jeweils in Klammern):

Reglerentwurf im Frequenzbereich (BORIS, INGO, LISA,RESY)

Einführung in die Digitale Regelung (BORIS, INGO)

Einführung in die Fuzzy-Regelung (BORIS, INGO,FLOP)

Kaskadenregelungen und Zustandsregler (BORIS,INGO, SUSY)

Regelung mit unstetigen Reglern (BORIS, INGO)

Einführung in die PID-Regelung (BORIS, INGO)

Alle zu den Praktika gehörigen Dokumentationen werdenzusätzlich auch auf Datenträger im WORD- bzw. PDF-Format geliefert.

Bitte beachten Sie, dass für die Nutzung der einzelnenPraktika eine entsprechende WinFACT-Studienlizenz (TypA, B oder C) vorhanden sein muss, die die benötigtenWinFACT-Komponenten enthält.

� http://www.kahlert.com/web/praktika.php

Jedes regelungstechnische Kompaktmodell besteht auszwei Teilmodellen: der zugrunde liegenden Regelstreckeund dem zugehörigen geschlossenen Regelkreis. Das ersteTeilmodell ermöglicht zunächst die Analyse der Regel-strecke, beispielsweise zur experimentellen Ermittlung derStreckenparameter. Dazu kann die Stellgröße jeweils übereinen Schieberegler vorgegeben und über einen Schalteraktiviert werden. Das zweite Teilmodell ermöglicht dann dieUntersuchung des geschlossenen Regelkreises bei Einsatzunterschiedlicher Reglertypen und -parameter. Wesentlichdabei: Die Modelle sind stand-alone fähig, d. h. für ihreNutzung ist keine WinFACT-Lizenz erforderlich! Zurzeit sindfolgende Kompaktmodelle verfügbar:

Die stellen eineAlternative oder auch Ergänzung zu unserem regelungs-technischen Programmsystem WinFACT dar. Jedes Modellvereinigt dabei alle Bedien-, Visualisierungs- und Auswerte-funktionen unter einer einheitlichen, kompakten Oberfläche.Alle Modelle sind ready-to-use, d. h. ohne vorherigeKonfigurierung, Parametrierung o. ä. einsatzbereit. Ein Wirk-bzw. Blockschaltbild erläutert jeweils den behandeltenProzess. Alle wesentlichen Größen und Parameter könnenauf einfache Weise z. B. über Schieberegler eingestellt undihre Auswirkung unmittelbar in der Simulation überprüftwerden. Balkendiagramme, numerische Anzeigen sowieZeitverlaufsdiagramme stellen die erhaltenen Ergebnisse inübersichtlicher Form dar. Die integrierte Online-Hilfe liefertbei Bedarf Hintergrundinformationen über den zugrundeliegenden Regelkreis. Zu einigen der Kompaktmodelle sindumfangreiche Versuchsanleitungen verfügbar.

Regelungstechnischen Kompaktmodelle Druckregelung

Motor-Drehzahlregelung

Raumtemperaturregelung

Lichtstreckenregelung

Zustandsregelung einer Verladebrücke

Mischbatterie (Mehrgrößenregelung)

Regelung einer P-T2-Strecke

Temperaturregelung mit PI-/Zweipunkt-/Dreipunktregler

Regelung einer Rührkesselkaskade

Rührkesselreaktor mit Kaskadenregler

Spindelantrieb (Strecke ohne Ausgleich)

Füllstandsregelung

Dreitanksystem

Gleichlaufregelung

Flugzeug-Lageregelung

Regelungstechnische Kompaktmodelle 13


Regelungstechnische Kompaktmodelle

� http://www.kahlert.com/web/kompaktmodelle.php

Unsere stellt ein "All-in-One"-Kompaktmodell dar, das über insgesamt sechsunterschiedliche Regelstrecken verfügt und damit eineVielzahl von Experimenten erlaubt. Die Experimente werdenauf einfache Weise wie bei einer realen Experimentier-umgebung durch das Stecken von Jumpern konfiguriert.

Regelungstechnik-Spielwiese

DieLeistungsmerkmale im Einzelnen:

Regelungstechnik-Spielwiese14


Regelungstechnik-Spielwiese

Sechs Regelstrecken mit und ohne Ausgleich:

Drehzahl (P-T - oder P-T -Strecke)2 3

Temperatur (P-T -Regelstrecke)3

Druck (P-T -Regelstrecke)1

Licht (P-T -Regelstrecke)0

Füllstand (I-Regelstrecke)

Verfügbare Reglertypen:

Frei konfigurierbarer PID-Regler

Zweipunkt-Regler mit/ohne Hysterese

Dreipunkt-Regler

Position (I-T -Regelstrecke)1

Universeller Funktionsgenerator zur Erzeugung diverserTestsignale (Sprung, Impuls, Rampe, Sinus)

Aufschalten von Störgrößen

Skalierbare Anzeige aller Momentanwerte undZeitverläufe mit der Möglichkeit der grafischenAuswertung (z. B. für Wendetangentenverfahren) unddes Speicherns von Kurven zur Weiterverarbeitung

Wahlweise Standard- oder Endlossimulation

Versuchsanleitungen im Lieferumfang

Die Regelungstechnik-Spielwiese eignet sich damithervorragend als Ergänzung oder auch Alternative zuunseren bewährten regelungstechnischen Kompakt-modellen.

Alle auf der Spielwiese verfügbaren Regelstrecken werdenzusätzlich als Superblöcke für das blockorientierteSimulationssystem BORIS mitgeliefert, sodass sie beiBedarf auch innerhalb von BORIS verwendet werdenkönnen.

� http://www.kahlert.com/web/kompaktmodelle.php

Unsere stellen eine kosten-günstige Alternative zu realen Versuchsaufbauten dar.Jedes Modell vereinigt dabei alle Bedien-, Visualisierungs-und Auswertefunktionen unter einer einheitlichen, kompak-ten Oberfläche.

Virtuellen Anlagenmodelle

Alle Modelle sind ready-to-use, d. h. ohnevorherige Konfigurierung, Parametrierung o. ä. einsatz-bereit. Ein Wirk- bzw. Blockschaltbild erläutert jeweils denbehandelten Prozess. Die integrierte Online-Hilfe liefert beiBedarf Hintergrundinformationen, beispielsweise über dieI/O-Belegung des Modells. Die Ansteuerung der Modellekann auf verschiedene Arten erfolgen:

Über eine S7-200/300/400/1200/1500. In diesem Fallerfolgt der Datenaustausch zwischen Prozessmodell undS7 direkt über das Prozessabbild der SPS, sodasskeinerlei zusätzliche Hardware erforderlich ist. Anstelleeiner realen S7 kann dabei auch der Siemens-SPS-Simulator PLCSIM (V5.4) eingesetzt werden.

Über eine Micro-SPS Siemens LOGO! der aktuellenBaureihen 0BA7/0BA8 mit Ethernet-Anschluss

Über die Steuerrelais easy (Baureihen 500/700) derFirma EATON. Diese Steuerrelais sind vomLeistungsumfang her mit der LOGO! von Siemensvergleichbar.

Über das WAGO-I/O-System 750. Die Kommunikationfindet dabei ebenfalls über virtuelle I/Os statt, sodasskeine I/O-Module oder sonstige zusätzliche Hardwareerforderlich sind.

Über die Steuerungen der Firma Phoenix Contact unterder Programmierumgebung PC WORX. Die Kommuni-kation zwischen den Modellen und der Steuerung findetdabei über den mit PC WORX gelieferten AX OPCServer 3.0 statt.

Über die SPS-Entwicklungsumgebung TwinCAT derFirma Beckhoff.

Über die herstellerübergreifende SPS-Entwicklungs-umgebung CODESYS (Version V2.3 oder V3.5). DieKommunikation mit dem Modell findet dabei über denCODESYS-OPC-Server statt, der Bestandteil derCODESYS-Standardinstallation ist. Mit Hilfe der mitCODESYS ausgelieferten Soft-SPS oder dem preis-günstigen Raspberry Pi als Target-SPS ist eine Nutzungder Modelle damit praktisch ohne zusätzliche Investitio-nen möglich, da CODESYS selbst frei verfügbar ist.

Über die SPS-Programmierumgebung WinSPS S7 derFa. MHJ-Software.

Virtuelle Anlagenmodelle für die Automatisierungstechnik 15


Virtuelle Anlagenmodelle für die Automatisierungstechnik

Foto: Siemens AG

Die Palette an Anlagenmodellen umfasst sowohl sehreinfache Modelle für Verknüpfungssteuerungen mit lediglicheiner Handvoll Sensoren und Aktoren, als auch komplexeModelle mit 50 I/Os und mehr. Die Modelle sind in unter-schiedlichen Editionen verfügbar, aus denen der Anwenderdie für ihn am besten geeignete Zusammenstellung aus-wählen kann. Die nachfolgende Galerie zeigt exemplarischeinige der insgesamt über 100 verfügbaren Modelle.

Über eine Hardware-Schnittstelle (z. B. USB-Box oderPC-Einsteckkarte). Die SPS oder auch das Micro-controller-Board wird dabei mit den I/Os z. B. der USB-Box verbunden, die dann vom Prozessmodell ausgele-sen bzw. angesteuert werden.

Über ein OPC-Server-fähiges Programm. Das Prozess-modell arbeitet in diesem Fall als OPC-Client.

3D-Flaschenzählanlage

Zweihandverriegelung (Presse)

Motorsteuerung

Fabrikanlage Ampelanlage

Dreifach-TorsteuerungSilo

Biegevorrichtung Sortieranlage

3D-Fußgängerampel Speiseaufzug

Virtuelle Anlagenmodelle für die Automatisierungstechnik16


Virtuelle Anlagenmodelle für die Automatisierungstechnik

� http://www.kahlert.com/web/steuerungsmodelle.php

Lehrbriefe mit Anlagenmodell 17


Lehrbriefe mit Anlagenmodell

Für die Automatisierungstechnik bieten wir eine ständig erweiterte Reihe von Lehrbriefen an, die in kompakterForm Schritt für Schritt in aktuelle Themen einführen. Die Besonderheit dieser Lehrbriefe liegt darin, dassjedem Lehrbrief ein oder mehrere virtuelle Anlagenmodelle beiliegen, die die Durchführung von Experimentengestatten. Dazu werden parallel zum theoretisch erarbeiteten Stoff Aufgaben gestellt, die dann mit Hilfe desAnlagenmodells bearbeitet werden können. Anschließend erfolgt eine detaillierte Beschreibung der Lösung, diezudem auf der Begleit-CD zum Lehrbrief mitgeliefert wird.

Die Kleinststeuerung Siemens LOGO! enthält leistungsfähige Bausteine zur Analogwert-verarbeitung und Regelung wie beispielsweise einen komfortabel zu konfigurierendenPI-Regler. Unsere virtuellen Prozessmodelle undermöglichen eine Fülle von Experimenten zu dieser Thematik, wobei als Hardwarelediglich eine Siemens LOGO! (ab Baureihe 0BA7) erforderlich ist. Zusätzliche analogeI/O-Module werden also nicht benötigt, da die Prozessmodelle auf virtuelle (Netzwerk-)Ein- bzw. Ausgänge der LOGO! zugreifen.

Analogwertverarbeitung Tankanlage

Folgende Themengebiete können mit Hilfeder Modelle erarbeitet werden:

Analogwertverarbeitung und Regelung mit Siemens LOGO!

A/D- und D/A-Wandlung, Normierung und Skalierung von Analogwerten

Zweipunkt-Temperaturregelung mit und ohne Hysterese

PI-Füllstands- und Temperaturregelung mit PWM-Ausgang

PI-Füllstands- und Temperaturregelung mit Analogausgang

Zweipunkt-Füllstandsregelung mit und ohne Hysterese

Verknüpfungssteuerungen (Gartenbeleuchtung, Kellerbeleuchtung, Aus-,Wechsel- und Kreuzschaltung, ...)

Weitere Funktionen (Wochenschaltuhr, Zugangssteuerung über PIN-Eingabe, ...)

Analogwertverarbeitung (Dämmerungsschalter mit/ohne Schalthysterese, Wind- undRegensensor, Mittelwertbildung, Dimmen der Beleuchtung, Temperaturregelung...)

Zeitfunktionen und Zähler (Haustürlampe, Blinklicht, Betriebsstundenanzeige,...)

Unser Anlagenmodell mit über 50 virtuellen Sensoren und Aktorenermöglicht eine Fülle von Experimenten zum Thema Hausautomatisierung, wobei alsHardware lediglich eine Siemens LOGO! (ab Baureihe 0BA7) erforderlich ist. Zusätzlicheanaloge I/O-Module werden also nicht benötigt, da das Anlagenmodell auf virtuelle(Netzwerk-) Ein- bzw. Ausgänge der LOGO! zugreift. Behandelte Themen sind:

Smart Home

Einführung in die LOGO!-Programmierung

Eine Vielzahl von Aufgabenstellungen in der Automatisierungstechnik lässt sich mit Hilfevon Ablaufsteuerungen (Schrittketten) lösen. Während für "große" SPSen spezielle Pro-grammiersprachen und/oder Editoren für den Entwurf solcher Ablaufsteuerungen zurVerfügung stehen, beherrscht die LOGO! der Firma Siemens ausschließlich die Pro-grammiersprachen Funktionsplan und Kontaktplan. Aber auch auf Basis dieser Program-miersprachen lassen sich Ablaufsteuerungen ohne allzu großen Aufwand realisieren.Unser virtuelles Anlagenmodell ermöglicht eine Vielzahl von Experimenten zudieser Thematik. Das Modell mitsamt allen Sensoren und Aktoren läuft dabei auf demPC und kommuniziert über das Ethernet-Kabel per TCP/IP mit der LOGO!. Insgesamtetwa 25 Sensoren und Aktoren schaffen dabei eine ausgesprochen realitätsnahe Nach-bildung und ermöglichen eine nahezu unerschöpfliche Anzahl von Experimenten. Außerder LOGO! (ab Baureihe 0BA7) selbst ist dabei keinerlei Hardware erforderlich.

Car Wash

Programmierung von Ablaufsteuerungen mit der Siemens LOGO!

Speicherfunktionen (Jalousie- und Garagensteuerung, Pumpensteuerung,Schrittkettenprogrammierung, ...)

Mit der ANSI-C-Bibliothek lassen sich auf einfache Weise µC- bzw. µP-Boards als nahezu beliebigkomplizierte Regler oder auch Streckensimulatoren einsetzen. Da die gesamte Bibliothek dynamischprogrammiert wurde, gibt es für Sie nur eine Einschränkung durch die Speicherkapazität IhresBoards. Auch eine Einbindung der regelungstechnischen Routinen in ein übergeordnetes PC-Anwenderprogramm ist möglich, um ohne eine einzige Zeile eigenen Codes die unterschiedlichstenRegelalgorithmen realisieren zu können. In der Bibliothek sind folgende Blöcke enthalten:

Leistungsumfang

Nachfolgend ein Schema eines C-Quellcodes, der die regelungstechnische ANSI-C-Bibliothek verwendet.

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <regler\regdef.h> /*Block-Deklarationen*/unsigned char REG_STATUS=0; /*globale Fehlervariable*/P_8 *Regler;RAMP_8 *Stellglied;PT1_8 *Strecke;GEN_8 *Generator;unsigned int timer;signed char output,input;void Simulation() /*Funktion, die den */{signed char zw; /*Regelkreis darstellt*/zw=GEN8(Generator,timer++); /*Führungsgröße*/zw=P8(Regler,zw,output); /*Soll - Ist im P-Glied*/zw=RAMP8(Stellglied,zw); /*Stellgrößenbegrenzung*/output=PT18(Strecke,zw,0); /*Regelstrecke*/}void main(void){unsigned int i;/*Initialisierungsteil für alle Blöcke mit ihren Parametern undden globalen Variablen*/timer=0; output=0; flag=0; input=0;Regler=Init_P8(2.75,8);Stellglied=Init_RAMP8(1,1,100,0,0);Generator=Init_GEN8(1,0,0,30,50,0,0);Strecke=Init_PT18(1,1,5.67,0,8);/*Beginn der Regelung hier für 200 Schritte (200 sec.)*/for(i=0;i<200;Simulation(),i++);/*Freigabe der Blöcke */free(Strecke);free(Stellglied);free(Regler);free(Generator);}

Alle Blöcke liegen einheitlich in 8 Bit-, 16 Bit- und 32 Bit-Auflösung vor. Die Programmierung eines Blocks erfolgt denkbareinfach durch Initialisierung des Blocks und Aufruf der blockspezifischen Funktion. Durch die Trennung dieser beiden Stufenliegt nach dem ersten Schritt ein optimaler regelungstechnischer Block vor, dessen Code schnell und kompakt ist.

Regelungstechnische ANSI-C-Bibliothek18


Regelungstechnische ANSI-C-Bibliothek

P, I, D, PI, PD, PID, PID-T , P-T , D-T , P-T1 1 1 2

Totzeit

Tabellenfunktion

Rechteck-, Dreieck-, Sägezahngenerator

Begrenzer

Stellgliedcharakteristika

Zweipunkt- und Dreipunktglied

Anwendungsbeispiel

� http://www.kahlert.com/web/ansi.php

Zurzeit sind u. a. folgende Bücher mit WinFACT-Demo- bzw. Light-Versionen und/oder WinFACT-Anwendungsbeispielen aufdem Markt verfügbar:

Herbert BernsteinRegelungstechnik: Theorie und Praxismit WinFACT und Multisim

Elektor-Verlag 2012

Jörg KahlertCrashkurs Regelungstechnik

VDE Verlag, 2. Auflage 2015ISBN 978-3-8007-3642-3

Jörg KahlertEinführung in WinFACT

Hanser-Verlag 2009ISBN 978-3-446-41960-5

Josef UphausRegelungstechnik - Projekte für denLernfeldunterricht

Bildungsverlag EINS 2005

Jörg KahlertSimulation technischer Systeme

Vieweg-Verlag 2004ISBN 978-3-322-80248-4

Jörg KahlertFuzzy Control für Ingenieure


Jörg Kahlert und Hubert FrankFuzzy-Logik und Fuzzy-Control


www.kahlert.com

Auf unserer Website finden Sie neben umfangreichenBeschreibungen unserer Produkte Hinweise auf aktuelle undgeplante Neuentwicklungen, Demoversionen und Videos zumDownload, Preislisten, die Möglichkeit zur Newsletter-Anmeldung und vieles mehr ...

www.facebook.com/dr.kahlert

Neben unserer Website finden Sie uns auch im sozialenNetzwerk Facebook unter www.facebook.com/dr.kahlert.Abonnieren Sie unsere Seite doch einfach durch einen Klickauf den "Gefällt mir"-Button und Sie erfahren zukünftigautomatisch und noch schneller von aktuellen Entwicklungenund Planungen unseres Hauses!

Weitere Informationsquellen 19


Weitere Informationsquellen

Literatur

Website

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Telefon: +49 (0) 2381 / 92 69 96Fax: +49 (0) 2381 / 92 69 97


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