Entwurfsmuster für die Steuerungstechnik
Verhalten
Weiche Verriegelung
Name | Weiche Verriegelung |
| Problem | Bestimmte Speicherglieder dürfen nicht gleichzeitig gesetzt sein |
Ziel | Gegenseitiges Verriegeln der Speicherglieder über den Setz- oder Rücksetzeingang durch die Setzbedingungen |
| Lösungsprinzip | Verriegelung über Setzeingang: Die Setzbedingung für #A1 verhindert, dass #A2 gesetzt wird. Die Setzbedingung für #A2 verhindert, dass #A1 gesetzt wird. Verriegelung über Rücksetzeingang: Die Setzbedingung für #A1 unterdrückt #A2. Die Setzbedingung für #A2 unterdrückt #A1. |
| Vorteile | Steuerung von komplexen Abläufen durch Verknüpfung von mehreren weichen Verriegelungen möglich |
| Nachteile | Verriegelung über Setzeingang: Wenn #A1 gesetzt wurde und #S1 nicht mehr aktiv ist, dann kann #A2 gesetzt werden (s. Zeitdiagramm). Dadurch sind zwei Speicherglieder gleichzeitig aktiv (Fehleranfälligkeit). Wenn sich die Setzbedingung eines Speichergliedes ändert, dann muss das andere Speicherglied ebenfalls angepasst werden (Begrenzte Flexibilität). Das Hinzufügen oder Entfernen von Bedingungen erfordert möglicherweise umfangreiche Änderungen an der Verknüpfung der Bausteine. |
Harte Verriegelung
Wechselseitiger Ausschluss
Name | Wechselseitiger Ausschluss |
| Problem | Mehrere Anlagenteile oder Komponenten arbeiten gleichzeitig und führen so zu Überlastung gemeinsam genutzter Ressourcen, widersprüchlichen Aktivitäten, mechanischer Verklemmung, und im weiteren Verlauf gefährlichen Zuständen. Beispiele: Tür auf/zu, vorwärts/rückwärts, Laden/Entladen, Befüllen und Entleeren .. |
Ziel | Verhinderung des gleichzeitigen Betriebes mehrere Anlagenteile, wechselseitiger Ausschluss bei Nutzung einer gemeinsamen Ressource |
| Lösungsprinzip | SR-FlipFlops, die sich gegenseitig deaktivieren/verriegeln über Rückkopplung ihrer Zustände auf die Setz- oder Rücksetzeingänge, Zustandswechsel nur durch RESET des aktiven Zustands möglich (harte Verriegelung) Umsetzung OHNE Rückkopplung mit inversen Setz/Rücksetzbedingungen (weiche Verriegelung , fehleranfällig). |
| Vorteile | Es wird zugesichert, dass beim Einschalten einer Maschine die restlichen Teilnehmer nicht betriebsbereit sind und verriegelt werden. Reduktion von Code durch Wiederverwendung (Setzbedingung des einen Teilnehmers ist gleichzeitig die Bedingung zur Stilllegung des „Konkurrenten“ und muss nur einmal programmiert werden) und Konsistenz bei Änderung einer Setz- oder Rücksetzbedingung. |
| Nachteile | Umsetzung über den RESET Eingang nur mit rücksetzdominantem FlipFlop möglich Anlaufverhalten mit beiden Setzbedingungen aktiv für zu einer "race condition", d.h. resultierendes Verhalten ist abhängig von Aufrufreihenfolge! |
Einseitige Verriegelung
Name | Einseitige Verriegelung |
| Problem | Bestimmte Speicherglieder dürfen nicht gleichzeitig gesetzt sein. Zum Beispiel darf bei einer Wendeschützschaltung das Rechts- und Linkslaufschütz niemals gleichzeitig aktiv sein. |
Ziel | Ein höherpriorer Zustand (Speicherglied) unterbricht bzw. unterdrückt einen niederprioren Zustand. |
| Lösungsprinzip | Verriegelung über Rücksetzeingang: Der niederpriore Zustand wird rückgesetzt oder kann nicht gesetzt werden, wenn der hochpriore Zustand gesetzt ist. Verriegelung über Setzeingang: Der niederpriore Zustand kann nur gesetzt werden, wenn der hochpriore Zustand nicht aktiv ist. |
| Vorteile | Priorität eines Zustandes frei wählbar (Hoch bzw. Niedrig) |
| Nachteile | Verriegelung über den Rücksetzeingang: funktioniert nur mit einem rücksetzdominanten SR-FlipFlop Verriegelung über Setzeingang: Ein hochpriorer Zustand unterdrückt einen niederprioren Zustand, aber eine Unterbrechung ist nicht möglich. |
Reihenfolgeverriegelung
Name | Reihenfolgeverriegelung |
| Problem | Zur Sicherung der Maschinen muss eine bestimmte Reihenfolge beim Einschalten gehalten werden. |
Ziel | Eine Maschine soll erst betriebsbereit sein, wenn die vorhergehende Maschine eingeschaltet ist. |
| Lösungsprinzip | Eine Reihenfolgeverriegelung liegt vor, wenn Speicherfunktionen nur in einer ganz bestimmten festgelegten Reihenfolge gesetzt werden dürfen. Damit eine Speicherfunktion gesetzt werden kann, muss zuvor ein anderer Speicher gesetzt sein. |
| Vorteile | Die Einschaltreihenfolge ist frei wählbar Die Abfolge der Schritte kann flexibel angepasst und geändert werden. Dies ermöglicht eine einfache Anpassung an unterschiedliche Anforderungen und Bedingungen. |
| Nachteile | Beim Ausschalten ist nur eine Reihenfolge möglich |
Bedienanforderung
Verzögerte Bedienanforderung
Name | Verzögerte Bedienanforderung |
| Problem | Eine Bedienanforderung soll verspätet starten. |
Ziel | Nach dem Betätigen der Bedienanforderung wird eine gewisse Zeit gewartet bevor es übertragen wird. |
| Lösungsprinzip | Mit einem TON wird das Signal aufgenommen und gewartet bis die zuvor festgelegte Zeit abgelaufen ist, erst dann wird das Signal übertragen. |
| Vorteile | Unbeabsichtigte oder versehentliche Aktivierungen von Bedienanforderungen werden nicht wahrgenommen. Somit wird die Sicherheit des Systems und der Anlagen erhöht. |
| Nachteile | Wenn die Bedienanforderung zu kurz ist, wird sie nicht übertragen. |
Verzögerte Bedienanforderung mit Nachlauf
Name | Verzögerte Bedienanforderung mit Nachlauf |
| Problem | Verzögerte Übertragung und Verlängerung der Bedienanforderung |
Ziel | Die Bedienanforderung beginnt später und endet verzögert (mit Nachlauf) |
| Lösungsprinzip | Die BA wird zwischengespeichert, solange der TON nicht abgelaufen ist. Danach wird das Signal an den TOF übertragen. Somit wird für XXXs ein Signal an den Ausgang angelegt und gleichzeitig der zwischengespeicherte Wert gelöscht. |
| Vorteile | Kurz gedrückte BA werden auch übertragen Lang gedrückte BA werden nach Ablauf der Zeit unterdrückt |
| Nachteile | Die Bedienanforderung kann nicht rückgängig gemacht werden. |
Selbstlöschung
Name | Selbstlöschung |
| Problem | Entwicklung eines befristeten Betriebszustand |
Ziel | Nach dem Einschalten wird das Gerät für eine bestimmte Zeit laufen und dann automatisch ausgeschaltet. |
| Lösungsprinzip | Nach Ablauf der Zeit tD wird durch den RESET-Eingang das Signal unterbrochen. Anwendungshinweis: Um das Speicherglied zurückzusetzen, soll nicht Timer1.Q, sondern #vBA verwendet werden. |
| Vorteile | Die Dauer der Verzögerung kann flexibel angepasst werden. Dadurch kann das Muster an unterschiedliche Anforderungen und Bedingungen angepasst werden. |
| Nachteile | Wenn eine Bedienanforderung deutlich länger als tD Sekunden aktiv ist, dann wird #A1 nur für einen Zyklus rückgesetzt und ist danach wieder aktiv. Die Selbstlöschung verliert an Wirkung. |
Verlängerter Impuls
Name | Verlängerter Impuls |
| Problem | Manche Funktionen nehmen nur Impulse wahr wenn sie eine bestimmte Länge haben. Kurze Impulse werden ignoriert. |
Ziel | Einen Impuls für eine Zeit XXX verlängern |
| Lösungsprinzip | Mit eine TP-Baustein wird der Impuls zwischengespeichert und für eine Zeit XXXs übertragen. |
| Vorteile | Kurze Impulse werden verlängert, um von anderen Funktionen wahrgenommen werden zu können. |
| Nachteile | Wenn der Eingangsimpuls länger als XXX s ist, wird das Ausgangssignal genau XXX s lang aktiv sein. |
Dienst
PWM-Generator
Name | PWM-Generator |
| Problem | Für einige Anwendungen wird ein pulsweitenmoduliertes Signal benötigt. |
Ziel | Erstellung eines pulsweitenmodulierten Signals durch die Verwendung von Zeitgebern |
| Lösungsprinzip | TP erzeugt einen tpuls langen Impuls, welcher negiert am Eingang des TONs anliegt. Nach Ablauf der Zeit tpuls, wird der TON aktiv Nach einer Nachlaufzeit von tpause, wird ein neuer tpuls langer Impuls von TP erzeugt |
| Vorteile | Unterschiedliche Modulationsgrade und Frequenzen sind einstellbar |
| Nachteile |
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Binäre Filter
Binärer Hochpassfilter
Name | Binärer Hochpassfilter |
| Problem | Die Wirkung von niederfrequenten binären Signalen soll unterdrückt werden. |
Ziel | Signale mit einer niedrigen Frequenz herausfiltern Signale mit einer hohen Frequenz zulassen |
| Lösungsprinzip | Ein hochfrequentes Signal am Eingang des TOFs erzeugt ein konstant aktives Ausgangssignal des TOFs. Der TON übermittelt das Signal nach Ablauf der vorher festgelegten Zeit. Ein niederfrequentes Signal am Eingang des TOFs führt zu einem Ausgangssignal, welches nicht permanent aktiv ist. Der TON gibt kein Signal nach Ablauf der festgelegten Zeit weiter, weil das Signal am Eingang vom TON inaktiv wird, bevor die Verzögerungszeit abgelaufen ist. |
| Vorteile | Unterschiedliche Grenzfrequenzen sind einstellbar |
| Nachteile | Dauer/Länge von Puls und Pause müssen bekannt sein … oder Tastverhältnis und Periode. Bei Nadelimpulsen auch eine Zeitschranke, wie lange die Grenzfrequenz überschritten wird. Alternative: Geschwindigkeitsermittlung mit Zähler |
Binärer Tiefpassfilter
Name | Binärer Tiefpassfilter |
| Problem | Die Wirkung von hochfrequenten binären Signalen soll unterdrückt werden. |
Ziel | Signale mit einer hohen Frequenz herausfiltern Signale mit einer niedrigen Frequenz zulassen |
| Lösungsprinzip | Ein hochfrequentes Signal am Eingang des TOFs erzeugt ein konstant aktives Ausgangssignal des TOFs. Der Ausgang des TONs ist negiert, wodurch nach Ablauf der Verzögerungszeit kein Signal übermittelt wird. Ein niederfrequentes Signal am Eingang des TOFs führt zu einem Ausgangssignal, welches nicht permanent aktiv ist. Durch die Negation am Ausgang des TONs wird ein konstantes Signal übermittelt. |
| Vorteile | Unterschiedliche Grenzfrequenzen sind einstellbar |
| Nachteile | Dauer/Länge von Puls und Pause müssen bekannt sein … oder Tastverhältnis und Periode. Bei Nadelimpulsen auch eine Zeitschranke, wie lange die Grenzfrequenz überschritten wird. Alternative: Geschwindigkeitsermittlung mit Zähler Bei hochfrequenten Signalen liefert der Tiefpass für tD-Sekunden ein High-Signal. Bei der Tiefpass-Alternative ist dieses kurzzeitige High-Signal nicht vorhanden. |
Binärer Bandpassfilter
Name | Binärer Bandpassfilter |
| Problem | Binäre Signale, welche in einem bestimmten Frequenzband liegen, sollen zugelassen werden. |
Ziel | Frequenzen, welche oberhalb der unteren Grenzfrequenz und unterhalb der oberen Grenzfrequenz liegen, werden zugelassen Frequenzen unter- und oberhalb des Frequenzbands werden herausgefiltert |
| Lösungsprinzip | Der Hochpass lässt alle Frequenzen oberhalb der unteren Grenzfrequenz (fLow) zu Der Tiefpass lässt alle Frequenzen unterhalb der oberen Grenzfrequenz (fHigh) zu Die Ausgänge des Hoch- und Tiefpasses werden UND-verknüpft, sodass nur Frequenzen zugelassen werden, welche im Frequenzband liegen. |
| Vorteile | Man kann verschiedene Frequenzbänder einstellen. |
| Nachteile | Es ergeben sich dieselben Nachteile wie beim Hoch- und Tiefpass. |
Bestimmung der Nachlauf- und Verzögerungszeiten
Hochpass: Auslegung für gewünschtes fLow
3. tD,Hp ≥ tpuls + tN,Hp = TLow
| Tiefpass: Auslegung für gewünschtes fHigh
3. tD,TP ≥ tpuls + tN,TP = THigh
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Geschwindigkeitsberechnung
Name | Geschwindigkeitsberechnung |
| Problem | Bestimmung der Geschwindigkeit eines Signals |
Ziel | Geschwindigkeitsmessung über Zählen der Flanken in einem festen Intervall |
| Lösungsprinzip | Das Eingangssignal wird auf positive Flanken überwacht. Der Timer wird gestartet, wenn eine positive Flanke erkannt und #Start aktiviert wurde. Der Timer läuft für das festgelegte Intervall. Der Zähler wird um 1 erhöht, wenn innerhalb des Intervalls eine Flanke erkannt wird. Der Zählerstand wird durch das Intervall dividiert und das Ergebnis wird in die Variable #Speed geschrieben. |
| Vorteile | Die Geschwindigkeitsberechnung trägt zur Sicherheit bei. Durch die Überwachung der Geschwindigkeit können potenziell gefährliche Situationen erkannt und Sicherheitsmaßnahmen aktiviert werden, um Verletzungen oder Schäden zu vermeiden. |
| Nachteile | #Start und #Reset müssen manuell aktiviert werden Ungenaue Messungen können zu falschen Berechnungen führen |
