Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
Unterrichts- und Lernmaterial fürMikrocontroller

Kapitel 1 - Prozesssteuerung – Einführung

Das Thema Prozesssteuerung wendet sich an Personen, die bereits Programmier-Erfahrungen mit der BS2 haben. Hilfreich sind auf jeden Fall Vorkenntnisse aus den Übungen zur BASIC Stamp.

Schulkentnisse aus der Elektrizitätslehre der 9. bzw. 10. Jahrgangsstufe sind zwingend notwendig.

Einführung

 

Produktionsprozesse unter Kontrolle zu haben, ist u.a. eine Grundvoraussetzung für anhaltende Produktqualität. Prozesssteuerung spielt dabei eine zentrale Rolle.

Sie ist bei Einzel-, Serien- oder Massenfertigung sinnvoll, auch wenn die Herangehensweise je nach Fertigungsprozess unterschiedlich sein kann.

Mit dem sorgfältigen Steuern ihrer Prozesse verfolgen Unternehmen unter anderem folgende Ziele:

  • Produktionsoptimierung
  • Aufbau eines Qualitätsmanagements.
  • Kapazitätsplanung
  • Produktionsoptimierung
  • Intelligenter Fluss von Informationen: Kritische Daten und aussagekräftige Kennzahlen erstellen, nutzen und einfordern und die Qualität der Ware damit sichern und dokumentieren.

Das Thema „Prozesssteuerung“ ist hier in acht Kapitel gegliedert, die aufeinander aufbauend gestaltet sind. Es werden Softwareanwendungen zur Überwachung und Steuerung BS2-basierter Schaltungen entwickelt. Unterstützt werden die Anwendungen durch die kostenfreie Software  StampPlot bzw. das Nachfolgeprodukt MakerPlot (30d free trial version), einer mehrkanalfähigen Software, mit der Eingangs- und Ausgangszustände überwacht und verglichen werden können, um die Dynamik eines Steuersystems besser verstehen zu können. Ich werde in allen Übungen ausschließlich das Programm MakerPlot verwenden.

Für die Überwachung und Datenerfassung der vorgestellten Projekte lassen sich auch virtuelle Bedienelemente (Messgeräte, Drucktasten, Schieberegler, Textfelder etc.) verwenden.

 

Die in allen Experimenten benötigte Hardware zur Simulation der Prozesse wurde auf ein absolutes Minimum reduziert. Die eingesetzte Sprache ist BASIC.

Voraussetzungen für die Bearbeitung dieses Themas

Hardware: Board of Education mit einer BASIC Stamp2, Schaltnetzteil 9V/0,8 A. USB-Kabel

1 (Theorie) - Flussdiagramme zur Darstellung von Prozessabläufen

 

Ein Flussdiagramm ist eine grafische Darstellung von Schritten und Entscheidungen, die verwendet werden, um zu einem logischen Ergebnis zu gelangen. Es kann verwendet werden, um Managemententscheidungen, Entscheidungen zur Systemfehlerbehebung oder Entscheidungen zu anderen Prozessabläufen zu treffen. Die Schritte sind genau definiert und beinhalten Ergebnisse. Die dazu verwendeten (häufigsten) Symbole sind in der folgenden Tabelle 1 aufgelistet.

Die einzelnen Blöcke werden mit Linien verbunden, die den Informationsfluss beschreiben.

Abb. 1 - Flussdiagramm-Symbole und ihre Bedeutung

Übung 1 – Ein Duschbad nehmen

Übung 1 - Ein Duschbad nehmen
Aufgabe Beschreibe mit eigenen Worten anhand des vorliegenden Flussdiagramms, was im Einzelnen passiert.

Flussdiagramm

Abb. 2 - Flussdiagramm zur Übung 1

Lösung

 

  • Schalte das kalte Wasser an.
  • Schalte das heiße Wasser an.
  • Warte drei Sekunden, damit sich die Wassertemperatur stabilisiert.
  • Miss die Wassertemperatur.
  • Ist sie zu hoch JA, dann lass weniger heißes Wasser zulaufen und geh zurück zum Referenzpunkt A.

                   NEIN, dann prüfe,

  • Ist sie zu niedrig  JA, dann lasse mehr heißes Wasser zulaufen und geh zurück zum Referenzpunkt A..

                   NEIN, dann lasse weiter Wasser einlaufen.

 

 

Eine Entscheidung kann auf zwei verschiedene Weisen getroffen werden:

  • Die Frage wird mit JA oder NEIN oder
  • Die Frage wird mit TRUE oder FALSE beantwortet.

 

Es gibt viele Prozesse, bei denen eine Variable/Größe nicht gesteuert, sondern eine Abfolge von Ereignissen gesteuert werden muss. Dieser sequentielle Prozess oder Batch-Prozess kann ereignisbasiert, zeitbasiert oder eine Kombination aus beidem sein.

 

In Übung 2 wird eine einfache Schaltung aufgebaut, mit der die Prinzipien des sequentiellen Ablaufs experimentell veranschaulicht werden.

Übung 2 – Sequentieller Ablauf und Codierung in PBASIC

In dieser Übung wird eine einfache Schaltung aufgebaut, mit der die Prinzipien des sequentiellen Ablaufs experimentell veranschaulicht werden.

Übung 2 – Sequentieller Ablauf und Codierung in PBASIC

Material

  • 1x  Board of Education mit BASIC Stamp2, Steckernetzteil und USB-Kabel
  • 3x  Widerstand, 220 Ohm
  • 1x  Widerstand, 1 kOhm
  • 1x  LDR
  • 1x  Taster
  • 1x  LED, rot
  • 1x  Piezo-Lautsprecher
  • 1x  Kondensator, 0,1 µF
  • div. Schaltdrähte
Aufgabe
  • Baue die vier Schaltungen nach Schaltskizze (Abb. 3a - d) auf dem Steckbrett auf.
  • Übertrage das Programm SimpleSequentialProgram.bs2 in den BASIC Stamp Editor und speichere es ab.
  • Überprüfe und bestätige an Hand des Flussdiagramms (Abb. 4), ob das Programm das umsetzt, was im Flussdiagramm beschrieben ist.
  • Überprüfe, ob beim Drücken des Tasters T1 …
  •     die Anzeige im Terminal von 1 auf 0 springt.
  •     die LED erlischt.
  • Überprüfe, ob sich …
  •     beim Verdunkeln des LDR die RC-Zeit im Terminalfenster verändert.
  •     die Tonhöhe des Buzzers in Abhängigkeit von der RC-Zeit verändert.

Schaltskizzen

Abb. 3a - LDR-Schaltung zur Messung der Lichtintensität
Abb. 3b - LED Schaltung
Abb. 3c - Tasterschaltung
Abb. 3d - Buzzer

Flussdiagramm

Abb. 4 - Flussdiagramm zur Übung 2

Das Programm SimpleSequentialProgram.bs2

Wie arbeitet das Programm SimpleSequentialProgram.bs2

 

Die Codierung der vier vorgegebenen Schaltungen, denen bestimmte Abschnitte im Flussdiagramm entsprechen, wird durch Kommentarzeilen im Programm deutlich hervorgehoben.

 

Dem Ausführungsteil „Messe den Fotowiderstand“ entsprechen bei der BASIC-Codierung drei Programmzeilen, während im Flussdiagramm nur der Prozess beschrieben wird.

 

Flussdiagramme visualisieren Programmabläufe bzw. Prozesse und beschreiben sehr genau die dazu notwendigen Aktionen. Mit Hilfe von PBASIC, der Programmiersprache für die BS2 lassen sich diese Prozesse dann direkt an den Controller übergeben.

 

  • HIGH und LOW-Befehle steuern Ausgabegeräte,
  • FREQOUT erzeugt Tonfrequenzen und mit dem
  • DEBUG-Befehl lassen sich Daten an den Controller übertragen.

Mit einer

  • IF … THEN Instruktion lassen sich Bedingungen überprüfen oder einfache Wahr/Falsch Entscheidungen treffen, während man mit
  • DO … LOOP eine Endlosschleife aufbauen und mit dem Zusatz
  • WHILE oder
  • UNTIL

eine Abbruchbedingung einbauen kann.

 

Programme lassen sich in Teilprogramme zerlegen, die über den Befehl

  • GOSUB aufgerufen und mit der Programmzeile
  • RETURN beendet werden.

Das nachfolgende Flussdiagramm soll in einen Programmcode für die BS2 übersetzt werden. Die Schaltung aus Übung 2 wird nicht verändert.

Übung 3 - Vom Flussdiagramm zur Codierung

Übung 3 - Vom Flussdiagramm zur Codierung
Material
  • Wie in Übung 2; der Schaltungsaufbau bleibt erhalten
Aufgaben
  • Erstelle an Hand des vorliegenden Flussdiagramms einen Programmcode für die BS2.
  • Speichere das Programm ab und lade es in den Controller.
  • Überprüfe, ob der Controller genau das tut, was im Flussdiagramm gefordert ist.

Flussdiagramm

Das Programm zu Übung 3

2 - Vordefinierte Prozesse mit Unterprogrammen

 

Je mehr Prozesse in einem Flussdiagramm auftauchen, umso größer und komplexer wird es; das gilt dann auch für das Programm selbst. In der vorherigen Übung 3 wurden alle Prozesse aus dem Hauptprogramm heraus ausgeführt.

 

Werden die Prozesse komplexer und umfangreicher, dann sollte man die Prozesse in Teilprozesse zerlegen und dadurch das Programm insgesamt übersichtlicher gestalten. Das Hauptprogramm ruft nur noch die übergeordneten Prozesse auf, die dann in Unterprogrammen ausgeführt werden.

 

Das nachfolgende Flussdiagramm beschreibt einen solchen Vorgang, in dem einzelne Prozesse in Teilprozesse zerlegt sind.

Übung 4 - Lichtalarm

Übung 4 - Lichtalarm mit Unterprogrammen
Material
  • Wie in Übung 2 und 3; der Schaltungsaufbau bleibt erhalten
Aufgaben
  • Erstelle an Hand des vorliegenden Flussdiagramms einen Programmcode für die BS2.
  • Speichere das Programm ab und lade es in den Controller.
  • Halte die Hand über den LDR und beobachte die Terminalausgabe.
  • Was passiert, wenn die Lichtintensität
    unter den Wert 500 fällt,
    zwischen 500 und 5000 liegt
    größer als 5000 ist?
Abb. 5 - Flussdiagramm zu "Lichtalarm"
Bild 5b - Teilprozesse zu "Lichtalarm"

Eine mögliche Programmlösung

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© Reinhard Rahner - Gettorf