Procesanalyse & Automation

Lukket sløjferegulering (feedback)

#regulering

Systemet måler outputtet og korrigerer kontinuerligt.

Setpunkt (SP) — ønsket værdi
Procesværdi (PV) — målt aktuel værdi
Fejl (e) = SP − PV
Aktuator — ventil, motor eller pumpe der ændrer processen

On/off-regulering vs. kontinuerlig regulering

#regulering

	On/off	PID
Præcision	Lav (hysterese)	Høj
Kompleksitet	Simpel	Kræver tuning
Typisk brug	Alarmer, pumpestart	Temperaturstyring, tryk

PID-regulator

#regulering #formler

Kombinerer tre bidrag for optimal regulering.

u(t) = K_p · e(t) + K_i · ∫e dt + K_d · de/dt

P (proportional): korrigerer proportionalt med fejl — hurtig, men giver offset
I (integral): eliminerer steady-state offset — langsom
D (differentierende): dæmper svingninger, reagerer på fejlændring

4–20 mA signalstandard

#instrumentering

Industristandard for analoge signaler — robust over lange afstande.

4 mA = 0% (levende nul — kan skelne fra kabelafbrud)
20 mA = 100%
<3,6 mA eller >21 mA → fejlindikation

P&ID — Rørsystemtegning med instrumentering

#instrumentering

Piping and Instrumentation Diagram viser alle rør, ventiler og instrumenter.

FT = Flow Transmitter
PT = Pressure Transmitter
TT = Temperature Transmitter
LT = Level Transmitter
FCV = Flow Control Valve
Cirkel = felt-instrument | Cirkel med streg = kontrolrum-instrument

PLC — hvad er det og hvad gør det

#plc

En PLC (Programmable Logic Controller) er en industriel computer designet til at styre maskiner og processer i realtid. Den erstatter relæpaneler og er bygget til at tåle industrimiljø (støv, vibration, temperatur).

Deterministisk: altid samme scan-tid — forudsigeligt og sikkert
Robust: ingen hårddisk, ingen ventilator, bred driftstemperatur
Modulær: tilføj I/O-kort, kommunikationsmoduler, safety-moduler
Standardiseret: programmeringssprog defineret i IEC 61131-3

Typiske fabrikanter: Siemens (S7), Rockwell/Allen-Bradley (ControlLogix), Beckhoff (TwinCAT), Schneider (Modicon), Mitsubishi.

PLC-opbygning

#plc

CPU: udfører programmet og håndterer kommunikation
Strømforsyning: 24 VDC typisk — konverterer net til DC
Digitale inputs (DI): trykkontakter, endestopkontakter, niveau-switche (24V DC eller 230V AC)
Digitale outputs (DO): relæer, transistor-outputs, ventilsignaler, lamper
Analoge inputs (AI): 4–20 mA eller 0–10 V signaler fra sensorer
Analoge outputs (AO): styresignal til frekvensomformer, positioneringsventil
Kommunikationsport: Ethernet, RS-485, PROFIBUS, PROFINET m.fl.

Signal	Type	Eksempel	Typisk niveau
DI	Digital ind	Trykknap, endestop	24 VDC / 0 VDC
DO	Digital ud	Kontaktor, ventil	24 VDC / relæ
AI	Analog ind	Tryktransmitter	4–20 mA / 0–10 V
AO	Analog ud	Frekvensomformer	4–20 mA / 0–10 V

PLC scan-cyklus

#plc

PLC'en kører i en kontinuerlig løkke — scan-cyklussen. Typisk scan-tid: 1–20 ms.

Læs inputs: alle fysiske inputs kopieres til process image input (PII)
Udfør program: programmet kører mod PII — ikke direkte mod hardware
Skriv outputs: process image output (PIQ) skrives til fysiske outputs
Kommunikation & diagnostik: netværkspakker, watchdog, selvtest

Fordelen ved process image: outputs ændres ikke midt i en scan — sikrer konsistens.
Watchdog: hardware-timer der genstarter CPU'en hvis scan-tid overskrides.

IEC 61131-3 — PLC-programmeringssprog

#plc #programmering

International standard der definerer fem PLC-programmeringssprog:

Sprog	Type	Egnet til
LD — Ladder Diagram	Grafisk	Relælogik, on/off-styring — mest udbredt
FBD — Function Block Diagram	Grafisk	Regulering, dataflow, PID-blokke
ST — Structured Text	Tekst	Kompleks logik, beregninger, algoritmer
IL — Instruction List	Tekst	Assembler-lignende — forældet i IEC 61131-3 ed. 3
SFC — Sequential Function Chart	Grafisk	Sekventielle processer, tilstandsmaskiner

Alle fem sprog kan blandes i samme projekt — typisk: LD til simpel I/O, ST til beregninger, SFC til sekvenser.

Ladder Diagram (LD) — grundelementer

#plc #programmering

LD ligner et relæskema — strøm flyder fra venstre skinne til højre hvis betingelserne er opfyldt.

Symbol	Navn	Funktion
`—\| \|—`	NO-kontakt	Lukket (sand) når bit er 1
`—\|/\|—`	NC-kontakt	Lukket (sand) når bit er 0
`—( )—`	Spole (output)	Sætter bit til 1 når rung er sand
`—(S)—`	Set (latch)	Sætter bit til 1 — forbliver sat
`—(R)—`	Reset (unlatch)	Nulstiller bit til 0
`—[P]—`	Positiv flanke	Én scan sand ved stigende flanke
`—[N]—`	Negativ flanke	Én scan sand ved faldende flanke

Eksempel — start/stop-kredsløb med selvholdning:

|--[ Start ]--[/Stop ]--+--[ Motor ]--+--( Motor )--|
|                        |             |             |
|                        +--[ Motor ]--+             |

Start-knap aktiverer Motor-biten
Motor-kontakten holder kredsløbet aktivt (selvholdning)
Stop-knap (NC) bryder kredsløbet

Ladder Diagram — timere og tællere

#plc #programmering

Timere (IEC 61131-3):

Blok	Funktion	Vigtige pins
TON	Timer On-Delay — Q går høj efter PT sekunder	IN, PT, Q, ET
TOF	Timer Off-Delay — Q forbliver høj i PT sekunder efter IN falder	IN, PT, Q, ET
TP	Puls-timer — Q er høj i præcis PT sekunder ved IN-stigende flanke	IN, PT, Q, ET

IN = start-signal | PT = preset tid (f.eks. T#5S, T#500MS) | ET = forløbet tid | Q = output

Tællere:

Blok	Funktion
CTU	Count Up — tæller CU-pulser op, Q = 1 når CV ≥ PV
CTD	Count Down — tæller ned fra LD-værdien, Q = 1 når CV ≤ 0
CTUD	Count Up/Down — kombination af CTU og CTD

CU/CD = tælle-puls | R = reset | PV = preset | CV = aktuel tælling

Struktureret Tekst — syntaks og datatyper

#plc #programmering

ST er et Pascal/C-lignende tekstsprog — kraftfuldt til beregninger og kompleks logik.

Datatype	Størrelse	Eksempel
`BOOL`	1 bit	`TRUE` / `FALSE`
`INT`	16 bit	`-32768` til `32767`
`DINT`	32 bit	± 2 milliarder
`REAL`	32 bit	Kommatal: `3.14`
`TIME`	32 bit	`T#5S`, `T#500MS`
`STRING`	variabel	`'Hej verden'`

Operatorer: := (tildeling) · + - * / MOD (aritmetik) · AND OR NOT XOR (logik) · = <> < > <= >= (sammenligning)
Kommentarer: (* dette er en kommentar *)

Simpelt eksempel — start/stop med timer:

IF StartButton AND NOT EmergencyStop THEN
    MotorOutput := TRUE;
    Timer1(IN := TRUE, PT := T#5S);
ELSE
    MotorOutput := FALSE;
    Timer1(IN := FALSE);
END_IF;

(* Alarm efter 5 sek uden flow *)
IF Timer1.Q THEN
    Alarm_NoFlow := TRUE;
END_IF;

Struktureret Tekst — kontrolstrukturer

#plc #programmering

IF / ELSIF / ELSE:

IF Tryk > 10.0 THEN
    Alarm := TRUE;
ELSIF Tryk > 8.0 THEN
    Advarsel := TRUE;
ELSE
    Alarm := FALSE;
    Advarsel := FALSE;
END_IF;

CASE (switch):

CASE Tilstand OF
    0: Motor := FALSE; Ventil := FALSE;
    1: Motor := TRUE;  Ventil := FALSE;
    2: Motor := TRUE;  Ventil := TRUE;
ELSE
    Motor := FALSE;
END_CASE;

FOR-løkke:

FOR i := 0 TO 9 DO
    Gennemsnit := Gennemsnit + Maaling[i];
END_FOR;
Gennemsnit := Gennemsnit / 10;

WHILE og REPEAT:

WHILE Tæller < 100 DO
    Tæller := Tæller + 1;
END_WHILE;

REPEAT
    Tæller := Tæller + 1;
UNTIL Tæller >= 100
END_REPEAT;

Undgå WHILE/REPEAT i PLC-kode uden exit-betingelse — de blokerer scan-cyklussen.

Industrielle busser — overblik

#protokol #plc

Protokol	Fysisk lag	Hastighed	Topologi	Typisk brug
Modbus RTU	RS-485	9,6–115 kbaud	Master/Slave bus	Sensorer, simple enheder
Modbus TCP	Ethernet	100 Mbit/s	Client/Server	PLC↔SCADA, HMI
PROFIBUS DP	RS-485	op til 12 Mbit/s	Master/Slave bus	Siemens I/O-moduler, frekvensomformere
PROFINET	Ethernet	100 Mbit/s+	Linje/Stjerne/Ring	Siemens PLC, distribueret I/O
EtherNet/IP	Ethernet	100/1000 Mbit/s	Stjerne	Rockwell/Allen-Bradley
CANopen	CAN-bus	op til 1 Mbit/s	Bus	Maskiner, automotive, drives
OPC UA	Ethernet/TCP	—	Client/Server	PLC↔IT/Cloud, tværfabrikat

Modbus RTU og Modbus TCP

#protokol #plc

Modbus er den enkleste og mest udbredte industriprotokol — åben standard fra 1979.

RTU: binær kodning på RS-485, fejldetektering via CRC-16, op til 247 slaver pr. segment
TCP: Modbus-rammen encapsuleret i TCP/IP, port 502, ingen CRC (TCP håndterer det)

Function codes (FC):

FC	Funktion	Registerttype
01	Read Coils	Digitale outputs (bit)
02	Read Discrete Inputs	Digitale inputs (bit)
03	Read Holding Registers	Analoge outputs / setpoints (16-bit word)
04	Read Input Registers	Analoge inputs (16-bit word)
05/06	Write Single Coil/Register	Skriv ét element
15/16	Write Multiple Coils/Registers	Skriv blok

Registre er 16-bit (0–65535). Float = to på hinanden følgende 16-bit registre (IEEE 754, 32-bit).

PROFIBUS DP

#protokol #plc

Process Field Bus — Siemens-drevet feltbus, IEC 61158. Dominerende i 1990'erne–2010'erne.

DP (Decentralized Periphery): hurtig cyklisk kommunikation til distribueret I/O
PA (Process Automation): intrinisk sikker version til EX-zoner (2-leder, 9600 baud)
Token-passing — deterministisk, max 126 noder pr. segment
Kabeltype: skærmet tvist-par (lilla kabel), termineringsmodstande i begge ender

Baudrate	Max kabellængde pr. segment
9,6 – 187,5 kbaud	1200 m
500 kbaud	400 m
1,5 Mbit/s	200 m
12 Mbit/s	100 m

GSD-filer (General Station Description) beskriver enhedens parametre og bruges ved konfiguration.

PROFINET

#protokol #plc #netværk

Siemens Ethernet-baseret efterfølger til PROFIBUS — IEC 61158/61784.

IO-Controller: PLC'en (sender og modtager cyklisk data)
IO-Device: feltinstrumenter, drives, distribuerede I/O-moduler
IO-Supervisor: engineering-PC til konfiguration og diagnostik

Kommunikationsklasser:

Klasse	Cyklustid	Brug
NRT (Non-Real-Time)	>100 ms	Parameterisering, diagnostik
RT (Real-Time)	1–100 ms	Standard I/O, standard PLC-kommunikation
IRT (Isochronous Real-Time)	31,25 µs – 1 ms	Motion control, synkroniserede drives

GSDML-filer (XML) beskriver enheder. Understøtter ring-topologi med MRP (Media Redundancy Protocol) for fejltolerance.

OPC UA — dataudveksling på tværs af fabrikanter

#protokol #netværk

OPC Unified Architecture — platform-uafhængig standard for industriel dataudveksling (IEC 62541).

Client/Server: PLC eller SCADA eksponerer et adresserum — klienter læser/skriver
Pub/Sub: nyere model — publishere sender data til subscribers via broker
Sikkerhed: krypteret (TLS 1.2+), signeret (X.509 certifikater), autentificeret
Datamodel: noder i et hierarkisk adresserum — maskiner modelleres som objekter med variable og metoder
Standardport: 4840 (TCP) | Understøttes af Siemens, Rockwell, Beckhoff, Schneider m.fl.

OPC UA er "sproget" der gør Industry 4.0 muligt — PLC kan tale direkte med ERP, cloud og historian.

OSI-modellen og TCP/IP-stakken

#netværk

OSI-modellen beskriver kommunikation i 7 lag — TCP/IP bruger i praksis 4 lag.

OSI-lag	Navn	TCP/IP-lag	Eksempler
7	Applikation	Applikation	HTTP, FTP, Modbus TCP, OPC UA, SMTP
6	Præsentation		SSL/TLS, MIME, kryptering
5	Session		RPC, NetBIOS
4	Transport	Transport	TCP (port-til-port, pålidelig), UDP (hurtig)
3	Netværk	Internet	IP (routing), ICMP (ping), ARP
2	Datalink	Netværksadgang	Ethernet (MAC-adresser), VLAN (802.1Q)
1	Fysisk	Netværksadgang	Kabler, switches, RJ45, fibre

Industriel kommunikation bevæger sig typisk: applikationsprotokol → TCP/UDP → IP → Ethernet.

IP-adressering og subnetting

#netværk

IPv4: 32-bit adresse skrevet som 4 oktetter: 192.168.1.100

Subnet mask: 255.255.255.0 = /24 → 254 brugbare adresser
Netværksadresse: første adresse i subnet — f.eks. 192.168.1.0
Broadcast: sidste adresse — f.eks. 192.168.1.255
Default gateway: routerens IP — bruges til trafik uden for eget subnet

Privat adresserum (RFC 1918):

Klasse	Interval	Typisk brug
A	10.0.0.0 – 10.255.255.255	Store virksomhedsnetværk
B	172.16.0.0 – 172.31.255.255	Mellemstore netværk
C	192.168.0.0 – 192.168.255.255	Industrianlæg, kontor

I industrien: brug altid statiske IP-adresser til PLC'er og instrumenter — DHCP er upålideligt for kritisk udstyr.

TCP vs. UDP

#netværk

	TCP	UDP
Forbindelsestype	Forbindelsesorienteret (3-way handshake: SYN → SYN-ACK → ACK)	Forbindelsesløs
Leveringsgaranti	Ja — gensender tabt data automatisk	Nej — "fire and forget"
Rækkefølge	Garanteret	Ikke garanteret
Overhead	Høj (ACK, flow control)	Lav (8-byte header)
Hastighed	Langsommere	Hurtigere
Industrielt brug	Modbus TCP, OPC UA, filoverførsel	PROFINET RT, realtids-broadcast, IGMP

Port-numre: 502 = Modbus TCP | 4840 = OPC UA | 102 = Siemens S7 | 80/443 = HTTP/HTTPS (webserver i PLC)

Industriel netværkssegmentering og VLAN

#netværk

I industrien er det kritisk at adskille OT-netværket (styring) fra IT-netværket (kontor/internet).

VLAN (Virtual LAN, IEEE 802.1Q): opdeler ét fysisk netværk i logiske segmenter — trafik kan kun krydse VLAN via en router eller firewall
DMZ (Demilitarized Zone): bufferzone mellem OT og IT — historiserver, datadiode, MES
Firewall: kontrollerer trafik mellem zoner — whitelist kun nødvendige porte og IP-adresser
Managed switch: kræves til VLAN — umanaged switch har ingen VLAN-understøttelse

Eksempel på zoneopdeling (Purdue-model):

Niveau	Zone	Udstyr
0–1	Felt	Sensorer, aktuatorer, drives
2	Styring	PLC'er, SCADA, HMI
3	MES/DMZ	Historian, dataserver, OPC UA gateway
4–5	IT / Enterprise	ERP, kontor-PC, internet

Aldrig direkte forbindelse fra felt-PLC til internet — al OT/IT-integration skal ske via DMZ.

P-regulator

#regulering #formler

U = K_p · e + u₀

e = SP − PV (reguleringsafvigelse)
K_p = proportionalforstærkning
u₀ = normaloutput, bias

Proportionalbånd: Pb% = 100% / K_p

PI-regulator

#regulering #formler

U = K_p · (e + 1/T_i · ∫e dt) (PI-1)

U = K_p · e + 1/T_i · ∫e dt (PI-2)

T_i [s] = efterstillingstid (integraltid)

PID-regulator

#regulering #formler

U = K_p · (e + 1/T_i · ∫e dt + T_d · de/dt) (PID-1)

U = K_p · e + 1/T_i · ∫e dt + T_d · de/dt (PID-2)

T_d [s] = differentialtid (forvirkningsstid)

Ziegler-Nicholls indstillingsmetode

#regulering #formler

Lukket sløjfe med P-regulator: T_a = ∞, T_v = 0.

Regulator	K_p	T_i [s]	T_v [s]
P	0,5 · K_sk	—	—
PI	0,45 · K_sk	0,83 · T_sk	—
PID	0,6 · K_sk	0,5 · T_sk	0,125 · T_sk

K_sk = kritisk proportionalforstærkning
T_sk [s] = kritisk svingningstid

For PID-regulatorformel PID-2: T_i = T_sk / K_p, T_d = K_p · T_v

Digital regulering — samplingsfrekvens

#regulering #formler

f_s > 2 · f_k

f_s = samplingsfrekvensen
f_k = processens kritiske frekvens

Sampletid: t_s = 1 / f_s [s]
Praktisk regel: f_s > 10 · 1 / τ_dom, hvor τ_dom er processens dominerende tidskonstant

1. Lordens støjfilter (digital)

#regulering #formler

y_n = (α · y_n−1) + (β · x_n)

β = 1 − α α = e^−1/τ

x_n = input til filter
y_n = output fra filter
t_s = samplingstiden
τ = tidskonstant for 1. Lordens filter
n = samplingnummer

Procesanalyse & Automation 1, 2 & 3

Grundlæggende regulering

Instrumentering

PLC — Programmable Logic Controller

PLC — Ladder Diagram (LD)

PLC — Struktureret Tekst (ST)

Kommunikationsprotokoller

Netværk & TCP/IP

Regulatorformler