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