Grundlagen der SPS-Steuerung: Verständnis speicherprogrammierbarer Steuerungen

Einführung

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind unverzichtbare Geräte, die in verschiedenen Branchen, einschließlich Fertigung, Automatisierung und Prozesssteuerung, eine entscheidende Rolle spielen. Diese Steuerungen bieten enorme Möglichkeiten, wenn es um die Steuerung und Überwachung industrieller Prozesse geht. Das Verständnis der Grundlagen von SPS-Steuerungen ist für Fachleute in diesen Bereichen von entscheidender Bedeutung, da es ihnen ermöglicht, Steuerungssysteme effektiv zu entwerfen, zu implementieren und Fehler zu beheben.

Dieser Artikel befasst sich mit den Grundlagen von SPS-Steuerungen und bietet ein umfassendes Verständnis ihrer Funktionalität, Komponenten, Programmierung und Anwendungen. Ganz gleich, ob Sie ein Anfänger sind, der sich mit der SPS-Technologie vertraut machen möchte, oder ein erfahrener Profi, der sein Wissen erweitern möchte, dieser Artikel wird Ihnen als wertvolle Ressource dienen.

SPS-Steuerungen verstehen

SPS-Steuerungen, auch programmierbare Automatisierungssteuerungen genannt, sind elektronische Geräte zur automatischen Steuerung und Überwachung verschiedener Industrieprozesse. Sie haben die Welt der Automatisierung revolutioniert, indem sie herkömmliche relaisbasierte Steuerungssysteme durch fortschrittlichere und vielseitigere Lösungen ersetzt haben.

SPS bestehen aus einer Zentraleinheit (CPU), Ein-/Ausgabemodulen (I/O), Speicher, Stromversorgung und Kommunikationsschnittstellen. Diese Komponenten arbeiten nahtlos zusammen, um Steuerfunktionen auszuführen, Daten zu sammeln und mit anderen Geräten im System zu kommunizieren. Die CPU fungiert als Gehirn der SPS, führt die vom Benutzer programmierte Logik aus und koordiniert die E/A-Module und andere Systemkomponenten.

Die Funktionalität von SPS-Steuerungen

SPS-Steuerungen bieten ein breites Funktionsspektrum, wodurch sie sich hervorragend an verschiedene industrielle Anwendungen anpassen lassen. Sie können verschiedene Steuerungsaufgaben ausführen, darunter Ablaufsteuerung, logische Operationen, Zeitfunktionen, arithmetische Berechnungen und Datenverarbeitung. Diese Vielseitigkeit ermöglicht es ihnen, komplexe Automatisierungsanforderungen effektiv zu erfüllen.

Die Ablaufsteuerung ist eine grundlegende Funktion von SPSen. Dabei geht es um die Steuerung einer Abfolge von Ereignissen oder Prozessen in einer bestimmten Reihenfolge. SPS zeichnen sich in diesem Bereich aus, da sie mehrere Steuerungsaufgaben gleichzeitig und präzise ausführen können. Mithilfe der Ladder-Logic-Programmierung können Ingenieure problemlos komplexe Abläufe erstellen und ändern, um sie an verschiedene Produktionsszenarien anzupassen.

Logische Operationen sind ein weiterer wichtiger Aspekt von SPS-Steuerungen. Durch die Verwendung digitaler Ein- und Ausgänge können SPS logische Funktionen wie UND, ODER und NICHT implementieren. Diese Vorgänge erleichtern Entscheidungsprozesse innerhalb des Steuerungssystems und ermöglichen es der SPS, angemessen auf unterschiedliche Eingangsbedingungen zu reagieren.

Die Komponenten von SPS-Steuerungen

SPS-Steuerungen bestehen aus mehreren Komponenten, die zusammenarbeiten, um Steuerungsfunktionen und Systemabläufe zu erleichtern. Das Verständnis dieser Komponenten ist entscheidend, um das Innenleben eines SPS-Systems zu verstehen.

1.Central Processing Unit (CPU)

Die Zentraleinheit ist die Kernkomponente einer SPS-Steuerung. Es führt das Steuerprogramm aus und koordiniert die Aktivitäten anderer Systemkomponenten. Die CPU scannt das Kontaktplanprogramm wiederholt, verarbeitet Eingangssignale, führt Logikfunktionen aus, aktualisiert Ausgangssignale und kommuniziert mit externen Geräten.

Moderne SPS-CPUs verfügen über eine hohe Rechenleistung und Speicherkapazität, wodurch sie komplexe Steuerungsaufgaben bewältigen und mit mehreren Geräten gleichzeitig kommunizieren können. Sie integrieren häufig verschiedene Kommunikationsschnittstellen wie Ethernet, serielle Schnittstellen und Feldbusprotokolle und ermöglichen so eine nahtlose Integration in industrielle Netzwerke.

2.Eingabe-/Ausgabemodule (E/A).

Die E/A-Module sind für die Verbindung der SPS mit externen Geräten im industriellen Prozess verantwortlich. Sie bieten der SPS die Möglichkeit, Eingangssignale von Sensoren, Schaltern und anderen Feldgeräten zu empfangen und Ausgangssignale an Aktoren, Motoren und andere Steuerelemente zu senden.

E/A-Module gibt es in verschiedenen Ausführungen, darunter digitale Eingangsmodule, digitale Ausgangsmodule, analoge Eingangsmodule und analoge Ausgangsmodule. Digitale Module verarbeiten diskrete Signale wie Ein/Aus oder High/Low-Zustände, während analoge Module kontinuierliche Werte wie Spannung oder Strom verarbeiten. Diese Module sorgen für einen zuverlässigen und genauen Datenaustausch zwischen dem Leitsystem und den Feldgeräten.

3.Erinnerung

Der Speicher spielt eine entscheidende Rolle bei der Speicherung des Steuerprogramms, der Daten und der Systemparameter. SPS verfügen typischerweise über zwei Arten von Speicher: Programmspeicher und Datenspeicher.

- Programmspeicher: In diesem Speicherabschnitt wird das Steuerprogramm oder die Kontaktplanlogik gespeichert, die das Verhalten der SPS bestimmt. Ingenieure verwenden Programmiersoftware, um das Programm zu erstellen und zu ändern und so die Steuerungslogik und -sequenzen zu definieren.

- Datenspeicher: Der Datenspeicher speichert Variablen und Werte, die während der Programmausführung verwendet werden. Dazu gehören der aktuelle Status von Ein- und Ausgängen, Rechenzwischenergebnisse, Timer, Zähler und andere vom Steuerungsprogramm benötigte Daten.

4.Stromversorgung

SPS-Steuerungen benötigen eine stabile und zuverlässige Stromversorgung, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Das Netzteil wandelt die eingehende elektrische Energie in geeignete Spannungen um, um die verschiedenen Komponenten innerhalb des SPS-Systems mit Strom zu versorgen. Es sorgt für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten und Datenverluste bei Stromschwankungen oder Ausfällen zu verhindern.

Netzteile verfügen häufig über eingebaute Schutzmechanismen wie Überspannungsschutz und Kurzschlussschutz, die die SPS vor elektrischen Störungen und Fehlern schützen. SPS verfügen in der Regel auch über Backup-Batterien, die bei Stromunterbrechungen wichtige Daten wie das Steuerungsprogramm und die Systemkonfiguration speichern.

5.Kommunikationsschnittstellen

Kommunikationsschnittstellen ermöglichen SPS-Steuerungen den Datenaustausch mit anderen Geräten und Systemen innerhalb des industriellen Automatisierungsökosystems. SPS unterstützen verschiedene Kommunikationsprotokolle, darunter unter anderem Ethernet/IP, Modbus, Profibus, DeviceNet und Profinet. Diese Schnittstellen ermöglichen eine nahtlose Integration mit Sensoren, Aktoren, Mensch-Maschine-Schnittstellengeräten (HMI), SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition) und anderen Steuerungen und schaffen so eine vernetzte und zusammenhängende Automatisierungsumgebung.

Die Programmierung von SPS-Steuerungen

Die Programmierung von SPS-Steuerungen ist entscheidend für die Definition des Verhaltens und der Steuerlogik des Systems. Ingenieure verwenden spezielle Programmiersoftware, die häufig vom SPS-Hersteller bereitgestellt wird, um das Steuerungsprogramm zu erstellen, zu bearbeiten und Fehler zu beheben.

1.Ladder-Logic-Programmierung

Kontaktplanlogik ist die am weitesten verbreitete Programmiersprache für SPS-Steuerungen. Der Name leitet sich von der grafischen Darstellung ab, die einer Leiter mit horizontalen Sprossen und vertikalen Schienen ähnelt. Ingenieure erstellen Kontaktplanprogramme, indem sie verschiedene Kontaktplanelemente wie Relaisspulen, Kontakte, Timer, Zähler und arithmetische Funktionen verbinden.

Kontaktplanlogik bietet einen visuellen und intuitiven Ansatz zur Programmierung und ermöglicht es Ingenieuren, Steuerkreise in einem Format darzustellen, das Elektrikern und Steuerungstechnikern vertraut ist. Es ermöglicht die Erstellung komplexer Logikfunktionen durch den Einsatz von Verzweigungen, Schleifen und Unterprogrammen.

2.Strukturierter Text (ST)

Strukturierter Text (ST) ist eine höhere Programmiersprache, die Pascal oder C ähnelt. Sie bietet einen textbasierten Ansatz für die SPS-Programmierung und ermöglicht es Ingenieuren, anspruchsvolle Algorithmen und Datenverarbeitungsfunktionen zu schreiben. ST eignet sich besonders für mathematische Berechnungen, Datenmanipulationen und komplexe Steuerungsstrategien.

Während Leiterlogik oft die primäre Programmiersprache für die meisten SPS-Anwendungen ist, ist ST aufgrund seiner Flexibilität und Leistungsfähigkeit eine ausgezeichnete Wahl für erweiterte Funktionalitäten. Ingenieure können sowohl Kontaktplanlogik als auch ST innerhalb desselben Steuerungsprogramms verwenden und so die Stärken jeder Sprache nutzen.

Anwendungen von SPS-Steuerungen

SPS-Steuerungen finden in den unterschiedlichsten Branchen Anwendung. Ihre Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit machen sie unverzichtbar bei der Automatisierung und Steuerung industrieller Prozesse. Einige häufige Anwendungen sind:

1.Herstellung

SPS-Steuerungen werden in der Fertigungsindustrie häufig eingesetzt, um Produktionslinien zu automatisieren und die Effizienz zu optimieren. Sie steuern verschiedene Aspekte von Herstellungsprozessen, wie z. B. Materialhandhabung, Maschinensteuerung, Robotersteuerung und Qualitätssicherung. SPS ermöglichen eine präzise Koordination und Synchronisierung von Maschinen, verkürzen Zykluszeiten, minimieren Fehler und verbessern die Gesamtproduktivität.

2.Dienstprogramme

SPS-Steuerungen sind in der Versorgungsindustrie, einschließlich Wasseraufbereitungsanlagen, Stromerzeugungs- und Verteilungssystemen, von entscheidender Bedeutung. Sie überwachen und steuern Prozesse wie Pumpstationen, Druckregelung, Leistungsfaktorkorrektur und Lastausgleich. SPS gewährleisten einen effizienten und zuverlässigen Betrieb und ermöglichen gleichzeitig Fernüberwachungs- und Fehlererkennungsfunktionen.

3.Gebäudeautomation

In der Gebäudeautomation steuern SPS-Steuerungen HVAC-Systeme (Heizung, Lüftung und Klimaanlage), Lichtsteuerung, Zugangskontrolle und Brandmeldesysteme. Sie bieten eine zentrale Steuerung und Überwachung und sorgen so für optimale Energienutzung, Komfort für die Bewohner und Sicherheit. SPS ermöglichen eine intelligente und effiziente Verwaltung der Gebäudetechnik und ermöglichen es Unternehmen und Institutionen, Kosten zu senken und die Nachhaltigkeit zu verbessern.

Zusammenfassung

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind unverzichtbare Werkzeuge in der industriellen Automatisierung und Prozesssteuerung. Sie bieten eine vielseitige und robuste Lösung zur Steuerung und Überwachung verschiedener Industrieprozesse und gewährleisten einen effizienten und zuverlässigen Betrieb. Das Verständnis der Grundlagen von SPS-Steuerungen, einschließlich ihrer Funktionalität, Komponenten, Programmierung und Anwendungen, ist für Fachleute in der heutigen automatisierten Industrie von entscheidender Bedeutung. Durch das Verständnis dieser Grundlagen können Ingenieure effektive Steuerungssysteme entwerfen, implementieren und warten und so die Produktivität, Sicherheit und Rentabilität steigern.