Ingenieurbüro Dr. Kahlert. Software-Engineering & Automatisierungstechnik

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Produktübersicht 2016 INHALT WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools 3 WinFACT - Add Ons 8 Regelungstechnische Kompaktmodelle 13 Virtuelle Anlagenmodelle 15 Sonstiges 18 WinFACT - Windows Fuzzy And Control
Produktübersicht 2016 INHALT WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools 3 WinFACT - Add Ons 8 Regelungstechnische Kompaktmodelle 13 Virtuelle Anlagenmodelle 15 Sonstiges 18 WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools Übersicht WinFACT ist ein innovatives, modular aufgebautes Programmsystem, das einerseits Werkzeuge zur Analyse, Synthese und Simulation konventioneller Regelungssysteme zur Verfügung stellt, andererseits aber insbesondere auch Komponenten zur Behandlung von Fuzzy- und Neuro-Systemen beinhaltet. WinFACT besteht aus einer Zusammenstellung einzelner, im Prinzip unabhängiger und beliebig kombinierbarer Programmmodule, zwischen denen auf äußerst einfache Weise ein Datentransfer über verschiedene Kommunikationskanäle möglich ist. Durch die Vielzahl verfügbarer Lizenzformen und den konsequent modularen Aufbau ist WinFACT mehr denn je das optimale Werkzeug für Lehre, Forschung und Entwicklung: Identifikation linearer Systeme anhand von Messdaten Systemanalyse durch Berechnung der Sprungantwort, des Frequenzgangs oder der Wurzelortskurve Reglerentwurf nach Einstellregeln ( Faustformeln ) Entwurf und Simulation von Zustandsregelkreisen Entwurf und Simulation von Fuzzy-Regelkreisen Experimentelle Ermittlung des Frequenzgangs in Form von Bode-Diagramm und Nyquist-Ortskurve Ermittlung von Sprungantwort und Bode-Diagramm zusammengesetzter Systeme Grafische Aufbereitung, Export und Dokumentation von Messwerten, Simulationsergebnissen usw. Für die Lehre durch die Vielzahl virtueller Hardwarekomponenten und Streckenmodelle sowie vorkonfigurierte Software-Praktika Für die Forschung durch Integration intelligenter Technologien wie Fuzzy-Logik, Neuronale Netze und Genetische Algorithmen Für die Entwicklung durch flexible Hardware- und Prozessschnittstellen Das Programmsystem enthält alle Komponenten, die zur Analyse und Synthese konventioneller Regelkreise erforderlich sind. Den Kern bildet dabei das Blockorientierte Simulationssystem BORIS. Hinzu kommen Module u. a. für folgende Aufgabenstellungen: WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools 3 WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools Fuzzy-Systeme werden in WinFACT mit Hilfe einer komfortablen Fuzzy-Shell entworfen. Diese erlaubt die grafische, mausgesteuerte Definition der Fuzzy-Mengen und der Regelbasis. Die Regeln können wahlweise in Tabellen-, Matrix- oder Textform eingegeben werden, wobei jederzeit zwischen den unterschiedlichen Darstellungsarten umgeschaltet werden kann. Auf Wunsch können die Regeln zusätzlich mit einer Gewichtung versehen werden. Die Fuzzy-Mengen können als Singletons oder dreieck- bzw. trapezförmig angesetzt werden. Zur Inferenz und Defuzzifizierung steht eine Vielzahl unterschiedlicher Mechanismen zur Auswahl. Die mit der Fuzzy-Shell entworfenen Fuzzy Controller können ohne Umweg direkt in die blockorientierte Simulation BORIS eingebunden werden. Auf diese Weise lassen sich selbst hochkomplexe hybride Regelkreise auf einfache Weise simulieren. Während der Simulation steht ein spezieller Fuzzy-Debugger zur Verfügung, der dem Anwender stets Klarheit darüber verschafft, was im Inneren des Fuzzy Controllers abläuft. Nach dem Entwurf des Fuzzy Controllers kann dieser bei Bedarf direkt in ANSI-C-Code überführt werden, der dann auf entsprechende Hardware portiert werden kann. Die dabei verwendeten Datentypen sind vom Anwender wählbar, sodass auf diese Weise eine optimale Anpassung an die Zielhardware erfolgen kann. Blockorientierte Simulation BORIS Das WinFACT-Kernmodul, das Blockorientierte Simulationssystem BORIS, ist aufgrund seiner Konzeption neben der prädestinierten Anwendung als Simulationswerkzeug auch in den Bereichen Messdatenerfassung und -verarbeitung, Steuerung und Regelung einsetzbar. Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Simulationssystemen ermöglicht BORIS die direkte Einbindung von Fuzzy- und Neuro- Systemen in die Simulation und eignet sich damit insbesondere auch für Anwendungen im Bereich Fuzzy-Logik und Fuzzy Control. Zur Konfigurierung der Simulationsstruktur werden einfach systemspezifische Icons auf dem Arbeitsblatt platziert und miteinander verbunden. Dabei sorgt der integrierte Autorouter für eine möglichst optimale Positionierung der (auf Wunsch mehrfarbigen) Verbindungen. Auf Basis einer Vielzahl von Editierfunktionen kann die Systemstruktur in komfortabler Weise Schritt für Schritt aufgebaut werden. Durch die hierarchische Gruppierung von Teilsystemen zu so genannten Superblöcken können auch komplexe Systeme übersichtlich gestaltet werden. Gruppierung von Teilsystemen zu Superblöcken BORIS stellt umfangreiche Möglichkeiten der Simulationssteuerung zur Verfügung. Hierzu zählen Endlos-, Einzelschritt- und Echtzeitsimulationen, das Setzen von Breakpoints sowie verschiedene Integrationsverfahren. Zur Visualisierung von Simulations- und Messergebnissen und zur interaktiven Steuerung des Programmablaufs bietet BORIS dem Anwender eine Vielzahl von virtuellen Instrumenten und Aktionsblöcken an, die ihm den Eindruck vermitteln, inmitten eines realen Labors zu sitzen - eine Wirkung, die besonders für den Einsatz im Rahmen der Ausbildung von wesentlicher Bedeutung ist. BORIS bietet dem Anwender eine umfangreiche Bibliothek an Systemblocktypen aus den Bereichen Signalgeneratoren, lineare und nichtlineare Übertragungsglieder, zeitdiskrete Systeme, Statistik, Digitaltechnik, Dateiein- und -ausgabe sowie virtuelle Instrumente. Diese Bibliothek kann vom Anwender auf einfache Weise durch Programmierung eigener Blocktypen (sog. User-DLL-Blöcke) erweitert werden. 4 WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools Durch die Vielzahl an virtuellen Instrumenten und Aktionsblöcken erlaubt BORIS die Durchführung interaktiver Experimente mit der Möglichkeit, jederzeit direkt in den Ablauf einzugreifen und damit auf komfortable Weise aussagekräftige Studien durchzuführen. Systemblock auch ein separates Visualisierungsfenster besitzen, welches während der Simulation alle relevanten Größen anzeigt und beispielsweise auch das Aufschalten von Störgrößen ermöglicht. Alle Streckentypen können auf Wunsch mit einer nichtlinearen Kennlinie versehen werden; auch die Ermittlung des Strecken-Frequenzgangs ist möglich. Folgende Strecken stehen zur Verfügung: Drehfrequenzstrecke (Motor-Generator-Satz) Temperaturstrecke (Raum mit Heizung) Füllstandsstrecke (Tank) Lichtstrecke (Raum) Positionierstrecke (Spindelantrieb) BORIS besitzt für unterschiedliche Aufgabenstellungen eine Vielzahl von Betriebsarten. Neben der normalen Simulation kann auch eine Endlossimulation oder ein Betrieb in Echtzeit mit Abtastraten bis unter 1 ms erfolgen. Durch die Möglichkeit, Breakpoints zu setzen, können bestimmte Situationen gezielt angefahren werden. Darüber hinaus sind ganze Simulationsserien möglich (Batch-Betrieb), um z. B. den Einfluss von Parametervariationen auf die Systemdynamik zu untersuchen. Neben dem Zeitverhalten kann auch das Verhalten im Frequenzbereich (Bode-Diagramm bzw. Nyquist-Ortskurve) analysiert werden. Zur numerischen Online-Optimierung von Systemparametern - z. B. den Parametern eines PID-Reglers - bietet BORIS leistungsfähige Evolutionsstrategien (Genetische Algorithmen) an, die sich nicht nur durch ihre schnelle Konvergenz auszeichnen, sondern insbesondere auch durch die hohe Zuverlässigkeit, mit der das globale Optimum gefunden wird. Das Gütekriterium (Optimierungskriterium) kann direkt grafisch innerhalb der BORIS-Simulationsstruktur spezifiziert werden. Für alle zu optimierenden Systemparameter können bei Bedarf Ober- und Untergrenzen vorgegeben werden, die dann während der Optimierung automatisch eingehalten werden. Verschiedene Strategieparameter erlauben dem erfahrenen Anwender zudem eine Kontrolle über das Optimierungsverfahren, um somit eine noch höhere Konvergenzgeschwindigkeit oder eine verstärkt globale Suche nach dem Systemoptimum zu ermöglichen. Speziell für die Ausbildung bietet BORIS insgesamt fünf integrierte industrielle Regelstrecken an, die vom Anwender frei konfiguriert werden können und neben dem normalen WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools 5 WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools BORIS bietet vielfältige Möglichkeiten zur Kommunikation mit anderen Anwendungen. So lassen sich über DDE z. B. Daten in oder aus Anwendungen wie EXCEL oder LabView portieren. Über TCP/IP- oder UDP-Blöcke lässt sich eine Kommunikation auch über Rechnergrenzen hinweg aufbauen. Auf diese Weise sind auch verteilte Simulationen oder ferngesteuerte Messungen realisierbar. Mit Hilfe des integrierten Dokumentgenerators lassen sich die erstellten Systemstrukturen jederzeit im RTF-Format ausführlich dokumentieren. Die Systemstruktur kann darüber hinaus sowohl im BMP- als auch im vektororientierten WMF-Format exportiert werden, sodass eine Weiterverarbeitung mit praktisch allen Grafikprogrammen (PaintShop, CorelDraw,...) möglich ist. Neben den Standard-Systemblöcken bietet BORIS eine Reihe spezieller Blocktypen an, die weitergehende Möglichkeiten insbesondere für fortgeschrittene Anwendungen der Steuer- und Regelungstechnik erschließen: Das PID Design Center erweitert die standardmäßig verfügbaren Möglichkeiten zum Entwurf von PID-Reglern beträchtlich. Es ermöglicht den wahlweise manuellen oder auch automatischen Entwurf kontinuierlicher und zeitdiskreter PID-Regler anhand einer Vielzahl unterschiedlicher Streckenapproximationen und Entwurfsverfahren. Dazu gehören die Entwurfsverfahren nach Ziegler/Nichols, Chien, Hrones und Reswick, Oppelt oder auch die T-Summen- Regel, ebenso der Entwurf digitaler Regler nach Takahashi. Für die Streckenanalyse und den Reglerentwurf reicht es aus, dem PID Design Center-Systemblock die Streckeneinund -ausgangsgröße zuzuführen. Beide Größen können dann innerhalb des Entwurfsfensters vor dem Reglerentwurf auf einen frei wählbaren Arbeitspunkt normiert und bei Bedarf auf ein Zeitfenster beschränkt werden. Die jeweils verwendete Einstellregel wird zur Kontrolle grafisch formelmäßig angezeigt. Verfahren der Zeitprozentkennwerte für P-T n(-t t)- bzw. I-T n(-t t)-strecken Verfahren für schwingfähige P-T 2(-T t)- bzw. I-T 2(-T t)- Strecken Verfahren nach Thal-Larsen für P-T 3(-T t)- bzw. I-T 3(-T t)- Strecken Das VBScript-Modul ermöglicht es dem Anwender, auf einfache und komfortable Weise mit Hilfe von VBScript BORIS-Systemblöcke zu programmieren. VBScript ist eine an Visual Basic angelehnte Skriptsprache und Bestandteil von Windows. Um VB-Skripte ausführen zu können, ist weder ein Kompilieren noch ein Linken von Dateien notwendig. Die wichtigsten Leistungsmerkmale in Stichworten: Komfortabler Built-in Editor mit Syntax-Highlighting Syntax-Check Automatische Zuordnung von Blockein- und -ausgängen Benutzerdefinierte Ein- und Ausgangsnamen Einbinden von externen ActiveX-Komponenten und Skripten Spezifizierung von Initialisierungs- und Terminierungscode Das System Identification Center ermöglicht die automatische Identifikation linearer Systeme mit und ohne Ausgleich anhand ihrer Sprungantwort. Folgende Verfahren stehen dazu zur Verfügung: Verfahren nach Küpfmüller Verfahren nach Strejc für P-T 1(-T t)- bzw. I-T 1(-T t)- Strecken Verfahren nach Naslin für aperiodische P-T 2(-T t)- bzw. I-T 2(-T t)-strecken Wendetangenten-Verfahren für aperiodische P-T 2(-T t)- bzw. I-T (-T )-Strecken 2 t 6 WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools Treiber und Prozessschnittstellen BORIS ist nicht nur als reines Simulationswerkzeug nutzbar, sondern erlaubt über eine Vielzahl unterschiedlicher Prozessschnittstellen auch eine Kommunikation mit der Außenwelt, beispielsweise zur Durchführung von Hardware-in-the-loop -Simulationen, bei denen ein in BORIS realisierter Regler eine reale Strecke ansteuert oder umgekehrt. Alle Prozessschnittstellen können direkt aus der BORIS-Umgebung heraus über entsprechende I/O-Systemblöcke angesprochen werden. Über PC-Einsteckkarten oder z. B. USB-I/O-Module mit analogen/digitalen Ein- und Ausgängen kann eine unmittelbare Online-Ankopplung vom PC an den Prozess erfolgen. Diese besonders für die Entwicklungsphase bzw. den Ausbildungsbereich prädestinierte Realisierungsform erlaubt Abtastzeiten hinunter bis unter 1 ms. WinFACT verfügt über entsprechende Treiber für alle handelsüblichen Module. Beispiele dafür sind PC-Einsteckkarten für den ISA-, PCI- oder PCI Express- Bus, beispielsweise von den Firmen National Instruments, Meilhaus, WASCO, Advantech oder BMC Externe I/O-Module mit serieller Schnittstelle bzw. USBoder 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,...) WAGO I/O System 750 Phoenix Contact-Steuerungen Ebenfalls unterstützt werden die in der Automatisierungstechnik verbreiteten Bussysteme wie MODBUS CAN-Bus AS-Interface Fotos: Siemens AG Sollen Daten mit Prozessleitsystemen ausgetauscht werden, empfiehlt sich dazu die separat erhältliche OPC Client/Server Toolbox für BORIS. Auch für den Datenaustausch mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) bzw. Automatisierungssystemen nahezu aller Hersteller stehen entsprechende Treiber zur Verfügung. Hierzu gehören beispielsweise Siemens S7-Baureihe (S7-200/300/400/1200/1500) Siemens LOGO! (ab Baureihe 0BA7) EATON easy-module Beckhoff TwinCAT (über ADS) Verfügbarkeit Alle WinFACT-Systemkomponenten können unabhängig voneinander oder in verschiedenen Kombinationen bezogen werden. Für den Einsatz in der Lehre sind ermäßigte Industrielizenzen sowie kostengünstige Studienlizenzen und Kopierlizenzen für die Schüler/Studenten verfügbar. WinFACT erhalten Sie in den Sprachen deutsch und englisch. WinFACT - Windows Fuzzy And Control Tools 7 Flexible Animation Builder Der Flexible Animation Builder (kurz FAB) für WinFACT erlaubt die interaktive Erstellung einfacher bis komplexer Prozessvisualisierungen, Animationen und Bedienoberflächen für das blockorientierte Simulationssystem BORIS. Die Entwicklung der Animationen erfolgt komfortabel per Drag & Drop, sodass keinerlei Programmierkenntnisse erforderlich sind. Eine auf diese Weise erstellte Visualisierung oder Bedienoberfläche wird wie ein normaler Systemblock in eine BORIS-Struktur eingebunden und mit den anderen Systemblöcken verknüpft. Die Erstellung der Animationen kann wahlweise direkt innerhalb von BORIS oder aus einer Stand-Alone-Version des Animation Builders erfolgen. Die Grundlage bildet jeweils eine umfangreiche Bibliothek an Grafik- und Bedienelementen, die für die vielfältigsten Aufgaben zum Einsatz kommen können. Linien, Kreise, Rechtecke, Bitmaps, formatierbare Ausgabefelder, Schalter, Taster, Schieberegler, LEDs, Analog- und Digitalinstrumente, Ventile, Zylinder, Laufbänder, vorgefertigte Animationen u. v. m. stehen zur Verfügung. Parallel dazu wird eine Sammlung unterschiedlichster, skalierbarer Bitmap-Grafiken mitgeliefert, die vom Anwender um eigene Grafiken ergänzt werden kann. Alle Visualisierungs- und Bedienelemente können beliebig platziert, skaliert und miteinander verknüpft werden. Durch die Möglichkeit, Elementeigenschaften (z. B. Position oder Größe) an einzelne Blockein- oder -ausgänge anzukoppeln, lassen sich statische und dynamische Visualisierungen jeglicher Art realisieren. Weiterhin besteht die Möglichkeit, einzelne Elemente unabhängig voneinander zu- oder abzuschalten. Da es sich beim FAB-Kernel um eine DLL nach dem BORIS-User-DLL-Standard handelt, kann der FAB nicht nur als Tool innerhalb von BORIS, sondern auch völlig unabhängig davon als eigenständige Prozessvisualisierung für andere Applikationen - z. B. vom Anwender selbst programmierte Anwendungen - benutzt werden. Dazu muss der Anwender lediglich die entsprechenden Schnittstellenfunktionen in sein Programm einbinden und kann dann auf einfache und komfortable Weise Ausgaben seines Programms visualisieren bzw. Eingaben für sein Programm erzeugen. 8 Flexible Animation Builder Flexible Animation Builder Durch das Konzept der FAB-I/O-Blöcke wird die für BORIS sonst übliche Beschränkung auf 50 Blockein-/ausgänge aufgehoben. Zusätzlich dazu kann jeder FAB-Block nämlich bis zu 200 weitere externe Ein-/Ausgänge besitzen, die innerhalb der Visualisierungs- oder Bedienoberfläche völlig analog zu den echten Blockein- und -ausgängen benutzt werden können. Bereits zur Entwurfszeit können diese externen Ein- und Ausgänge - wie auch die Standard-I/Os - für Testzwecke im I/O-Kontrollfenster der FAB-Entwicklungsoberfläche modifiziert bzw. angezeigt werden. Nachfolgende Screenshots zeigen einige Beispiele für Visualisierungen, die mit dem FAB erstellt wurden. Drei-Silo-Anlage (Fa. Vattenfall) Nachfolgend einige weitere Leistungsmerkmale des aktuellen Release: Optionaler Fenstermanager zur komfortablen Verwaltung mehrerer FAB-Visualisierungsfenster zur Laufzeit Eingangsgesteuertes Anzeigen und Verbergen des Visualisierungsfensters Formel-Syntaxüberprüfung bereits zur Entwurfszeit Steuerbare Elementfarben und Füllmuster Selektieren und Verschieben von Elementen mit der Maus (Drag & Drop) oder über Navigationstasten Spezielle Schaltflächen zur Simulationssteuerung, zum Drucken, zum Aufruf externer Programme etc. Deaktivierung von Bedienelementen während der Simulation möglich Auf Knopfdruck aufklappbare Visualisierungs- und Bedienfenster Integrierbare Online-Hilfe Verwendung von Konstanten Automatische Erzeugung von Bitmap-Sequenzen möglich, die dann in Animated GIFs (z. B. zur Einbettung in Präsentationen oder Webseiten) überführt werden Auslagerung von Texten (z. B. Beschriftungen von Sensoren/Aktoren) in Dateien möglich (z. B. für mehrsprachige Anwendungen) Umfangreiche Bitmap-Bibliotheken Umfangreiche Beispielsammlung im Lieferumfang Auch die Oberflächen unserer Regelungstechnischen Kompaktmodelle sowie unserer Virtuellen Anlagenmodelle wurden mit dem Flexible Animation Builder erstellt. Virtueller Laborversuch Füllstandsregelung (Hochschule Bochum, Prof. M. Pohl) Stirling-Motor (aus: Nollau, R.: Modellierung und Simulation technischer Systeme) Flexible Animation Builder 9 OPC Client/Server Toolbox In den Anfangszeiten von Windows galt Dynamic Data Exchange (DDE) als die prädestinierte Schnittstelle für den Austausch von Informationen zwischen Windows- Applikationen. Seit längerer Zeit hat sich jedoch OPC als standardisierte Schnittstelle für den Austausch von Prozessdaten zumindest in der PC-basierten Automatisierungstechnik durchgesetzt. OPC bedeutet OLE for Process Control und stellt eine Anwendung von Microsofts DCOM-Technologie (Distributed Component Object Model) dar. Gegenüber DDE zeichnet sich der OPCbasierte Datenaustausch insbesondere durch eine wesentlich höhere Performance aus. Die OPC Client/Server- Toolbox versetzt BORIS in die Lage, wahlweise als OPC- Server oder auch als OPC-Client zu arbeiten. Dadurch wird es möglich, zwischen BORIS und anderen Applikationen, die entsprechend OPC-Client- bzw. OPC-Server-Funktionalität aufweisen, unmittelbar Daten und Informationen auszutauschen. BORIS kann somit einerseits z. B. als Strecken- oder Prozesssimulator (OPC-Server) arbeiten, der mit einem als OPC-Client fungierenden Regler gekoppelt wird, andererseits kann aber auch BORIS als OPC-Client die Reglerrealisierung für einen Prozess mit OPC-Server- Funktionalität übernehmen. OPC- Client 1 OPC- Client 2 OPC-Server BORIS BORIS als OPC-Server BORIS OPC-Client OPC- Client i aufgelistet. Der Verbindungsaufbau zum Server und auch die Freigabe der Verbindung erfolgen vollautomatisch. Der Einsatz von BORIS als OPC-Server ist dann sinnvoll, wenn mit einem oder mehreren OPC-Clients Daten ausgetauscht werden sollen. Über entsprechende Blöcke kann BORIS dabei sowohl Daten ausgeben als auch Daten vom OPC-Client (oder auch mehreren Clients) empfangen. OPC-Server- und OPC-Client-Funktionalität sind sowohl in einer gemeinsamen Toolbox als auch getrennt voneinander verfügbar. N
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