Programmierbare Steuerungen in der industriellen Automatisierung

Die moderne Industrie nutzt viele äußerst komplexe technologische Prozesse, die wiederum den Einsatz sehr fortschrittlicher und zuverlässiger Steuerungssysteme erfordern. Eine Steigerung der Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit ist ohne die Automatisierung vieler Tätigkeiten nicht zu erreichen. In den letzten Jahren haben sich speicherprogrammierbare SPS-Steuerungen zu einem der grundlegenden Steuerungssysteme entwickelt.

Die speicherprogrammierbare Steuerung SPS (Programmable Logic Controller) ist das Ergebnis der rasanten Entwicklung der Mikroprozessortechnik im 20. Jahrhundert und gehört heute zu den grundlegenden Steuerungselementen moderner technologischer Prozesse. Die weltweit erste SPS-Steuerung wurde 1969 in den USA entwickelt und war Modicon 084. Dieses Gerät wog bis zu 46 kg und die Programmspeichergröße betrug 4 kB. Heute ist das eine lächerliche Zahl, aber damals war sie beeindruckend. Programmierbare Steuerungen kamen zunächst in der Automobilindustrie zum Einsatz, erlangten aber schnell auch in anderen Branchen Anerkennung und ersetzten Relaissteuerungen und Folgesteuergeräte. In den 1990er Jahren gab es praktisch keine moderne Fabrik, in der dies nicht der Fall war   programmierbare Steuerungen   SPS.

Programmierbare Steuerungen – Abteilung

Auf dem Markt kann man viel finden   SPS-Steuerungen   verschiedene Hersteller (z. B. Eaton ES4P-221-DRXD1 easySafety), die verschiedene Funktionalitäten bieten. Solche Geräte können anhand verschiedener Kriterien klassifiziert werden. Einer davon ist die Anzahl der unterstützten Ein-/Ausgänge (I/O – Input/Output): große mit Unterstützung für bis zu 4096 I/O (z. B. Eaton XC-CPU101-C256K-8DI-6DO), mittlere mit Unterstützung für bis zu 512 I/O und kleine mit Unterstützung für bis zu 128 I/O. Eine weitere Unterteilung erfolgt nach Designmerkmalen. Dabei unterscheiden wir zwischen gehäuselosen Steuerungen, die in Maschinen und Geräte eingebaut werden, kompakten Steuerungen mit kleinen Abmessungen und einfachem Gehäuse (z. B. Eaton EC4P-222-MTAD1), modularen Steuerungen in Form mittlerer und großer Geräte, bei denen der Anwender das Notwendige auswählt Module und installiert sie in speziellen Panels (z. B. Schneider TSX3705028DR1) und integrierten Treibern im Bedienfeld.

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Aufbau einer programmierbaren Steuerung

Wir haben bereits erwähnt, dass sich Controller in Funktionalität, Parametern und Gehäuse unterscheiden können, ihr Grundaufbau jedoch aus den gleichen Elementen besteht:

• Ladegerät   – Meistens handelt es sich um Impulsstromrichter, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad des AC/DC-Wandlers und eine hohe Leistung bei kleinen Abmessungen auszeichnen, den Einsatz unter schwierigen industriellen Bedingungen ermöglichen und über einen Überspannungs- und Überlastschutz verfügen. SPS-Steuerungen werden meist mit 24-V-Strom betrieben, einige Modelle können jedoch auch direkt an das Stromnetz angeschlossen werden. Bei kompakten Steuerungen ist das Netzteil im Gehäuse untergebracht (z. B. Eaton EC4P-221-MTAX1) oder kann bei modularen Steuerungen ein separates Element sein.
• Central Processing Unit (CPU)   – Dies ist die Hauptkomponente des Controllers. Seine Aufgabe besteht darin, den Betrieb der SPS zu verwalten, das Steuerungsprogramm auszuführen, einzelne Module zu bedienen und mit anderen Systemelementen zu kommunizieren. Das Herzstück der CPU ist der Mikroprozessor. Seine Parameter bestimmen die Betriebsgeschwindigkeit des Controllers, die Kommunikationsfähigkeiten, die Speichergröße, die Anzahl der unterstützten E/A-Variablen usw. Die Art des Speichers, der das Steuerungsprogramm speichert, hängt auch vom Mikroprozessor ab: RAM mit wahlfreiem Zugriff (z. B. Schneider TSX3721101), EEPROM – Permanentspeicher nur zum Lesen, elektrisch programmiert und gelöscht, und FLASH-EPROM – bei neueren Steuerungen Permanentspeicher, elektrisch programmiert und gelöscht.
• Digitale Eingangsmodule   – Grundlegende Eingangsschaltungen des Controllers wandeln Stromsignale von externen Geräten in digitale Signale um. Sie können mit Wechsel- oder Gleichstrom betrieben werden.
• Digitale Ausgangsmodule   – Ausgangssignale vom Controller an die Schaltkreise des gesteuerten Objekts. Hier werden üblicherweise Spulen von Schützen und Relais angeschlossen, die den Betrieb von Maschinen steuern.
• Analoge Eingangsmodule   – analoge Eingangssignale in eine digitale Form umwandeln, die vom Prozessor gelesen wird. Das wichtigste Element dieser Module ist der Analog-Digital-Wandler.
• Analoge Ausgangsmodule   – Sie wandeln den numerischen Wert aus dem Speicher der Steuerung in kontinuierliche Signale um, die das ausführende Programm mit der gesteuerten Maschine verbinden.
• Kommunikationsmodule   – Datenaustauschschnittstelle zwischen der Steuerung und anderen Geräten (z. B. anderen Steuerungen, Aktoren, HMI-Geräten usw.), die zusammen das Steuerungssystem bilden. Kommunikationsmodule neuerer Generation sind häufig mit einem eigenen Prozessor ausgestattet, der eine korrekte Datenübertragung gewährleistet.
• Spezielle Module   – Sie können zur Funktionserweiterung von SPS-Steuerungen verwendet werden, z. B. Temperaturmessmodule, schnelle Zähler, PWM-Impulsgeneratoren usw.

Wie funktioniert eine SPS?

Die programmierbare Steuerung arbeitet natürlich auf eine Weise, die durch das im Speicher der Steuerung gespeicherte Benutzerprogramm bestimmt wird. Dabei handelt es sich um eine Folge von Anweisungen in Form eines Algorithmus, der den Betrieb der Maschine steuert. Das Steuerprogramm wird mit einem Computer oder Programmiergerät erstellt und dann im Speicher der Steuerung gespeichert. Basierend auf diesem Programm führt der Mikroprozessor entsprechende Aktionen aus.

Jeder SPS-Controller arbeitet nach dem folgenden Zyklus, der in einer Schleife wiederholt wird: Controller-Initialisierung (Testen der Korrektheit von Schaltkreisen und Komponentenkonfiguration), Lesen von Eingangssignalen (Lesen der physischen Eingänge des Controllers und Speichern dieser im Speicher), Programmausführung (Abarbeiten des Steuerungsprogramms). Anweisungen, Generieren des Ausgangszustands und Speichern im Speicher), Speichern von Ausgangssignalen (Übernehmen der Ausgangszustandswerte und Schreiben dieser auf die physischen Ausgangsanschlüsse der Steuerung), Kommunikationsunterstützung (bei Verwendung der Netzwerkkommunikation) und Selbstdiagnose ( der Controller prüft den Betrieb der Komponenten).

Wie wählt man programmierbare Steuerungen aus?

Da es viele verschiedene auf dem Markt gibt   programmierbare Steuerungen   , sollten Sie das passende Modell für die Anforderungen eines bestimmten Steuerungssystems auswählen. Hierbei sind verschiedene Aspekte zu berücksichtigen. Zunächst müssen Sie die Besonderheiten einer bestimmten Anwendung berücksichtigen und überlegen, ob ein lokales oder ein verteiltes Steuerungssystem vorteilhafter ist. Bei der Auswahl einer SPS-Steuerung müssen Sie sich für die Anzahl und Art der Ein-/Ausgangspunkte entscheiden und feststellen, ob die Steuerung neben der Steuerung auch andere Aufgaben übernimmt. Es lohnt sich auch, auf die in der SPS integrierten Kommunikationsschnittstellen und deren Typen (z. B. USB, Ethernet usw.) zu achten. Wichtig ist auch die Benutzerfreundlichkeit der Controller-Programmierumgebung (es ist besser, eine SPS zu wählen, die die von den Ingenieuren des Unternehmens verwendeten Sprachen unterstützt) und ob ein bestimmter Controller mit bereits verwendeten SPS-Modellen kompatibel ist. Wichtig ist auch der technische Support des Herstellers.

Oder vielleicht ein programmierbares Relais?

In manchen Fällen kann es die bessere Wahl sein   programmierbares Relais   statt eines Fahrers. Es muss sofort betont werden, dass das Relais über eine geringere Anzahl verfügbarer Funktionen verfügt als die SPS und über begrenzte E/A-Erweiterungs- und Kommunikationsmöglichkeiten verfügt. Dennoch hat ein programmierbares Relais seine Vorteile. Erstens ist die Integration in das System, das Sie bereits verwenden, einfacher. Ein solches Relais lässt sich in der Regel schnell über die eingebaute Tastatur und den Bildschirm programmieren und ist preislich günstiger als der eines Controllers. Die Staffel eignet sich beispielsweise ideal für die Schulung und Schulung neuer Mitarbeiter. Ein programmierbares Relais kann erfolgreich in einfachen Systemen eingesetzt werden, die nur über ein paar Dutzend Ein-/Ausgänge verfügen, wenn wir ein nicht sehr komplexes Steuerprogramm programmieren möchten. Dann sind die Kosten einer solchen Steuerung geringer als bei Verwendung einer SPS-Steuerung.

Programmierbare Steuerung   ist heute ein unersetzlicher Bestandteil komplexer Steuerungssysteme, die in kleineren und größeren Industrieanlagen auf der ganzen Welt im Einsatz sind. Dank SPS können Sie technologische Prozesse flexibel programmieren und automatisieren und so die Produktionskosten optimieren.

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