Von der Modellierung zur Praxis. Entwicklung und Implementierung der Regelung für ein automatisiertes Entsorgungssystem in der Holzverarbeitung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Motivation

1.2 Problemdefinition

1.3 Zielsetzung

1.4 Methodisches Vorgehen (V-Modell)

2 Anforderungsanalyse des Entsorgungssystems

2.1 Analyse des aktuellen Entsorgungsprozesses

2.2 Funktionale Anforderungen

2.3 Nichtfunktionale Anforderungen

2.4 Sicherheitsanforderungen

2.5 Rahmenbedingungen kleiner Handwerksbetriebe

3 Stand der Technik und Technologieauswahl

3.1 Anforderungen und Rahmenbedingungen des Entsorgungssystems

3.2 Werkzeuge der modellbasierten Entwicklung

3.2.1 Klassische SPS-Programmierung (IEC 61131-3)

3.2.2 Textuelle Hochsprachen (C/C++, Python)

3.2.3 LabVIEW

3.2.4 Simulink/Stateflow

3.3 Alternativen zum Raspberry Pi 4

3.3.1 Industrie-SPS (Siemens, Beckhoff, WAGO)

3.3.2 Industrie-PCs und Embedded-PCs

3.3.3 STM32, ESP32 oder Arduino

3.4 Raspberry Pi 4

3.5 Alternativen zur Codesys-Soft-SPS

3.5.1 Industrie-SPS

3.5.2 Open-Source-Soft-SPS-Systeme

3.5.3 TwinCAT 3

3.6 CODESYS

3.7 Technologiebezogene Zuordnung der Anforderungen

4 Systementwurf

4.1 Gesamtarchitekrur des Entsorgungssystems

4.2 Sensoren

4.3 Aktoren

4.4 Prozessbeschreibung des Entsorgungssystems

4.4.1 Mechanische Prozesssteuerung

4.4.2 Regelungstechnische Prozesssteuerung

4.4.3 Kopplung der Regelung mit mechanischem Prozess

4.5 Steuerungsarchitektur

4.6 Kommunikationsschnittstellen

4.7 Sicherheitskonzept

4.7.1 Überwachung sicherheitsrelevanter Sensoren

4.7.2 Abbildung der Sicherheitsanforderungen (SFA 01–SFA 03)

4.7.3 Deterministische Verarbeitung und Normbezug

4.7.4 Getrennte Energieversorgung

5 Modellbasierter Entwurf von Steuerung und Regelung (Fachentwurf)

5.1 Modellierung der Steuerungslogik (Stateflow)

5.1.1 Eingangssignale und Signalmodellierung

5.1.2 Modellierung der Sensorlogik

5.1.3 Aufbau des Stateflow-Zustandsautomaten

5.1.4 Ausgabegrößen

5.2 Modellierung des Regelkreises (Simulink)

5.2.1 Sollwertvorgabe und Regeldifferenz

5.2.2 PI-Regler

5.2.3 Regelstrecke

5.2.4 Messstelle

5.2.5 Störgrößen im Volumenstromregelkreis

6 Detailentwurf

6.1 Stateflow-basierte Steuerungslogik

6.2 Subsystem – Regelung_Absauganlage

6.3 Detailentwurf der Regelung in Simulink

6.3.1 Sollwertvorgabe und Regeldifferenz

6.3.2 PID-Regler

6.3.3 Regelstrecke

6.3.4 Messstelle

7 Implementierung auf Raspberry Pi 4 mit CODESYS

7.1 Ableitung der SPS-Implementierung aus dem Stateflow-Modell

7.1.1 Zustandsrepräsentation mittels Enumerationsdatentyp

7.1.2 Umsetzung als CASE-State-Machine

7.1.3 Umsetzung der Zeitbedingungen mittels TON-Timer

7.1.4 Vorverarbeitung globaler Bedingungen

7.1.5 Reihenfolge der Transitionen

7.2 Ableitung der Regelungslogik aus dem Simulink-Modell

7.2.1 PID Regler (FB_Absaugregelung)

7.2.2 Messverarbeitung (FB_Messungen)

7.2.3 Regelstrecke, Filter und Thermik (FB_Regelstrecke)

7.3 Hauptprogramm PLC_PRG

7.4 PWM-Erzeugung und Abtastraten

7.5 Kopplung mit der Zustandslogik (FB_StateMachine)

7.6 Vorbereitung und Konfiguration der Zielplattform Raspberry Pi 4

7.7 Finale CODESYS-Applikation

8 Modultests

8.1 Modultests des Simulink-Modells

8.2 Modultests des Stateflow-Charts

8.3 Modultests der CODESYS-Funktionsbausteine

8.3.1 FB_StateMachine

8.3.2 FB_Absaugregelung (PID)

8.3.3 FB_Regelstrecke

8.3.4 FB_Messungen

9 Integrationstests

9.1 Reglerfreigabe durch Stateflow-Signal m3

9.2 Thermische Rückwirkung und Überhitzungslogik

9.3 Mechanische Freigabelogik

9.4 Fehlerpropagation

9.5 Konsistenz zwischen Simulink- und CODESYS-Implementierung

9.6 Zusammenfassung

10 Systemtests

10.1 Testumgebung

10.2 Systemtestfälle

10.2.1 Entleerzyklus (F01)

10.2.2 Verarbeitung aller Sensorsignale (F02)

10.2.3 Deterministische Aktoransteuerung (F03)

10.2.4 PID-Regelung des Volumenstromes (F04)

10.2.5 Fehlererkennung und sicherer Zustand (F05)

11 Abnahmetests

12 Diskussion

13 Fazit und Ausblick

Zielsetzung & Themen

Diese Arbeit befasst sich mit der modellbasierten Entwicklung eines automatisierten Entsorgungssystems für holzverarbeitende Kleinbetriebe. Ziel ist es, zu untersuchen, ob eine softwarebasierte Steuerungslösung auf universeller Hardware (Raspberry Pi 4 mit CODESYS und Simulink) eine technisch zuverlässige und wirtschaftlich tragfähige Alternative zu klassischen Industrie-SPS-Lösungen darstellt.

• Entwicklung eines automatisierten Entleerzyklus unter Berücksichtigung von Sicherheitsanforderungen.
• Modellbasierte Entwicklung von Steuerungs- und Regelungsalgorithmen (Stateflow und Simulink).
• Implementierung und Validierung einer Soft-SPS auf dem Raspberry Pi 4.
• Vergleich der Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit von Soft-SPS-Systemen gegenüber dedizierter Industriesteuerungstechnik.

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Beschreibt die Motivation zur Automatisierung in kleinen Handwerksbetrieben und definiert die Forschungsfrage bezüglich der Eignung eines Raspberry Pi-basierten Soft-SPS-Systems.

2 Anforderungsanalyse des Entsorgungssystems: Erstellt ein Lastenheft mit funktionalen, nichtfunktionalen und sicherheitsrelevanten Anforderungen für den Entsorgungsprozess.

3 Stand der Technik und Technologieauswahl: Bewertet verschiedene Steuerungs- und Modellierungsansätze und begründet die Entscheidung für eine Kombination aus CODESYS, Simulink und Raspberry Pi 4.

4 Systementwurf: Definiert die Gesamtarchitektur des Systems inklusive Sensorik, Aktorik und der methodischen Kopplung von Prozess- und Regelungslogik.

5 Modellbasierter Entwurf von Steuerung und Regelung (Fachentwurf): Detailliert die Modellierung der diskreten Steuerungsabläufe via Stateflow und die physikalische Modellbildung des Regelkreises in Simulink.

6 Detailentwurf: Überführt die Entwurfsmodelle in eine implementierungsnahe Architektur, die als direkte Vorlage für die SPS-Programmierung dient.

7 Implementierung auf Raspberry Pi 4 mit CODESYS: Beschreibt die praktische Umsetzung der Modelle in die CODESYS-Programmstruktur unter Einhaltung deterministischer Echtzeitanforderungen.

8 Modultests: Verifiziert die korrekte Funktion der einzelnen Softwarebausteine durch isolierte Testfälle und simulationsbasierte Analysen.

9 Integrationstests: Prüft das Zusammenspiel der einzelnen Module und die Einhaltung der Sicherheitsanforderungen im Gesamtsystem.

10 Systemtests: Validiert das Gesamtsystem in einer prototypischen Umgebung mit realer Hardware-Anbindung und simulierten Störszenarien.

11 Abnahmetests: fasst die Ergebnisse der technischen Validierung im Kontext der Anforderungen zusammen.

12 Diskussion: Reflektiert die Ergebnisse und beleuchtet Grenzen der Anwendung bei sicherheitskritischen Aufgaben in realen industriellen Umgebungen.

13 Fazit und Ausblick: Bewertet den Beitrag der Arbeit zur Digitalisierung im Handwerk und gibt Empfehlungen für zukünftige Optimierungen des Systems.

Schlüsselwörter

Modellbasierte Entwicklung, Raspberry Pi 4, CODESYS, Simulink, Stateflow, Soft-SPS, Automatisierungstechnik, Entleerzyklus, Prozesssicherheit, PID-Regelung, Holzwirtschaft, Handwerksbetriebe, Echtzeitfähigkeit, Anforderungsanalyse, Funktionsbausteine

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?

Die Arbeit untersucht, ob und wie ein Raspberry Pi 4 als kostengünstige, softwarebasierte Speicherprogrammierbare Steuerung (Soft-SPS) für die Automatisierung von Absauganlagen in kleinen Handwerksbetrieben eingesetzt werden kann.

Was sind die zentralen Themenfelder?

Die zentralen Felder sind die modellbasierte Entwicklung mit Simulink/Stateflow, die Umsetzung in eine industrielle SPS-Programmierung (IEC 61131-3) und die Validierung durch ein V-Modell-basiertes Testkonzept.

Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?

Ziel ist es, ein automatisiertes Entsorgungssystem zu entwickeln und zu validieren, das den speziellen wirtschaftlichen Anforderungen kleiner Betriebe gerecht wird, ohne dabei Kompromisse bei der Zuverlässigkeit und Prozesssicherheit einzugehen.

Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?

Die Arbeit folgt dem V-Modell, das eine strukturierte Trennung von Anforderungs- und Entwurfsebenen vorsieht und durch konsequente Verifikations- und Validierungsschritte (Modul-, Integrations- und Systemtests) abgesichert ist.

Was wird im Hauptteil behandelt?

Der Hauptteil behandelt die detaillierte Anforderungsanalyse, den Entwurf der Systemarchitektur, die mathematische Modellbildung des thermischen und strömungstechnischen Verhaltens sowie die konkrete Implementierung der Steuerungslogik in CODESYS.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Die wichtigsten Schlagworte sind Modellbasierte Entwicklung, Raspberry Pi 4, CODESYS, Simulink, Soft-SPS und Automatisierungstechnik.

Eignet sich der Raspberry Pi 4 für sicherheitskritische Maschinenfunktionen?

Der Raspberry Pi 4 erfüllt keine Zertifizierungen nach EN ISO 13849-1 oder EN IEC 62061 und ist daher für sicherheitskritische Applikationen, wie das Stoppen von Kreissägen, nicht geeignet; er ist jedoch exzellent für nicht-sicherheitskritische Aufgaben in industriellen Umgebungen einsetzbar.

Wie wird das Problem der Filterverschmutzung gelöst?

Durch die Modellierung des Unterdrucks und der thermischen Belastung im Simulink-Modell erkennt die Steuerung eine zunehmende Filterverschmutzung und passt das Verhalten des Ventilators über einen PID-Regler an, während bei kritischen Grenzwerten eine definierte Schutzlogik greift.