Der Controller ist ein Steuergerät. Es wird erst wirklich funktionsfähig, wenn Sie ein Programm erstellen und ausführen, um es zu verwenden.

Dies impliziert die Hauptaufgabe einer speicherprogrammierbaren Steuerung – die Ausführung eines Programms, das den technologischen Prozess verwaltet.

Welches Softwarepaket gibt es für die SPS? Im Prinzip ist jede Menge möglich. Die Hauptsache ist, dass die Größe der kostenlosen Ressourcen dieses Tools für Sie kein Hindernis darstellt. Der Entwickler erhält zahlreiche Möglichkeiten, Programme zu schreiben.

Was wird zur Programmierung des Controllers benötigt? Erstens benötigen Sie einen Programmierer, der dieses Problem gründlich versteht. Zweitens benötigen Sie den Computer selbst und natürlich ein Entwicklungspaket.

Funktionalität der Entwicklungstools

In der Regel fallen für das Entwicklungspaket zusätzliche Kosten an. Allerdings kommt es grundsätzlich häufig vor, dass dieses Paket bereits anfangs in der Installationssoftware enthalten ist.

Welche Funktionalität bietet die Entwicklungsumgebung?

1. Eine große Auswahl an Bibliotheken, Programmblöcken, spezifischen Prozeduren und vorgefertigten Vorlagen.
2. Tools zum Überprüfen, Testen und Ausführen eines Programms auf einem Computer unter Umgehung der Steuerung.
3. Außerdem wird ein Tool vorgeschlagen, um die Dokumentation des erstellten Programms im Rahmen der anerkannten Standards zu automatisieren.

Und schließlich muss noch der Hauptvorteil erwähnt werden: Es werden etwa sechs Programmiersprachen unterstützt. Der einzige Nachteil besteht darin, dass die Programmkompatibilität auf einem niedrigen Niveau implementiert ist. Die SPS-Hersteller haben sich nicht vereinheitlicht und jeder stellt dieses Gerät mit seiner eigenen Softwareumgebung her.

Arten von Programmiersprachen für SPS

• Sprache LD

LD (Ladder) ist eine grafikbasierte Entwicklungsumgebung. In gewisser Weise ist es wie eine Relaisschaltung. Die Entwickler dieser Norm glauben, dass die Verwendung dieser Art von Softwareumgebung die Umschulung von Rauf SPS erheblich erleichtert.

Zu den Hauptnachteilen dieser Programmiersprache gehört die Ineffizienz bei der Verarbeitung von Prozessen mit einer großen Anzahl analoger Variablen, da sie für die Darstellung diskreter Prozesse konzipiert ist.

• FBD-Sprache

FBD (Function Block Diagram) – Auch hier kommt die grafische Programmierung zum Einsatz. Im übertragenen Sinne definiert FBS eine bestimmte Vielzahl von Funktionsblöcken, die untereinander Verbindungen (Eingabe und Ausgabe) haben.

Kommunikationsdaten sind variabel und werden zwischen Blöcken übertragen. Jeder Block kann einzeln eine bestimmte Operation darstellen (Trigger, logisches „Oder“ usw.). Variablen werden mithilfe spezifischer Blöcke definiert, und Ausgangsschaltkreise können Verbindungen zu bestimmten Controller-Ausgängen oder Verbindungen zu globalen Variablen haben.

• SFC-Sprache

SFC (Sequential Function Chart) – kann mit ST- und IL-Sprachen verwendet werden, es ist auch diagrammbasiert. Das Prinzip seiner Konstruktion ähnelt dem Bild einer endlichen Zustandsmaschine; dieser Zustand klassifiziert sie als eine der leistungsstärksten Programmiersprachen.

Technologische Prozesse werden in dieser Sprache nach der Art bestimmter Schritte aufgebaut. Die Struktur der Stufen besteht aus einer vertikalen Linie, die von oben nach unten verläuft. Jeder Schritt ist ein spezifischer Vorgang. Sie können eine Operation nicht nur mit SFC, sondern auch mit ST und IL beschreiben.

Sobald ein Schritt abgeschlossen ist, erfolgt die Übertragung der Kontrolle an den nächsten Schritt. Es gibt zwei Arten von Übergängen zwischen Schritten. Wenn bei einem Schritt eine Bedingung erfüllt ist und die weitere Aktion darin besteht, zum nächsten Schritt überzugehen, handelt es sich um einen bedingten Übergang. Wenn alle Bedingungen eines bestimmten Schritts vollständig erfüllt sind und erst dann der Übergang zum nächsten Schritt erfolgt, handelt es sich um einen unbedingten Übergang.

• Sprache ST

ST (Structured Text) ist eine Hochsprache und weist viele Ähnlichkeiten mit Pascal und Basic auf.

Mit ST können Sie mehr als sechzehn Datentypen interpretieren und mit logischen Operationen, zyklischen Berechnungen usw. arbeiten.

Ein kleiner Nachteil ist das Fehlen einer grafischen Umgebung. Die Programme werden in Textform dargestellt und dieser Zustand erschwert die Entwicklung der Technologie.

• IL-Sprache

IL (Instruction List) – eine Assembler-ähnliche Sprache, die normalerweise zum individuellen Codieren von Blöcken verwendet wird. Der Vorteil besteht darin, dass diese Blöcke eine hohe Betriebsgeschwindigkeit und einen geringen Ressourcenbedarf aufweisen.

• CFC-Sprache

CFC (Continuous Flow Chart) – bezieht sich auf Hochsprachen. Im Prinzip ist dies eine klare Fortsetzung der FBD-Sprache.

Der Designprozess besteht darin, vorgefertigte Blöcke zu verwenden und sie auf dem Bildschirm zu platzieren. Anschließend werden sie konfiguriert und Verbindungen zwischen ihnen hergestellt.

Jeder Block ist die Steuerung eines bestimmten technologischen Prozesses. Hier steht der technische Prozess im Vordergrund, die Mathematik tritt in den Hintergrund.

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

Vor dem Aufkommen der Halbleiterlogik basierte die Entwicklung logischer Steuerungssysteme auf elektromechanischen Relais. Bis heute haben Relais ihren Zweck nicht überholt, dennoch wurden sie in einigen ihrer früheren Funktionen durch einen Controller ersetzt.

In der modernen Industrie gibt es eine Vielzahl verschiedener Systeme und Prozesse, die eine Automatisierung erfordern. Allerdings werden solche Systeme heutzutage nur noch selten mit Relais ausgelegt. Moderne Fertigungsprozesse erfordern ein Gerät, das für die Ausführung verschiedener logischer Funktionen programmiert ist. In den späten 1960er Jahren entwickelte das amerikanische Unternehmen Bedford Associates ein Computergerät namens MODICON (Modular Digital Controller). Der Name des Geräts wurde später zum Namen der Abteilung des Unternehmens, die es entworfen, hergestellt und verkauft hat.

Andere Unternehmen entwickelten ihre eigenen Versionen dieses Geräts, und es wurde schließlich als bekannt SPS oder speicherprogrammierbare Steuerung. Das Ziel einer programmierbaren Steuerung, die den Betrieb einer großen Anzahl von Relais simulieren kann, bestand darin, elektromechanische Relais durch zu ersetzen.

Die SPS verfügt über eine Reihe von Eingangsklemmen, mit denen der Status von Sensoren und Schaltern überwacht werden kann. Es gibt auch Ausgangsklemmen, die ein „High“- oder „Low“-Signal an Leistungsanzeigen, Magnetventile, Schütze, kleine Motoren und andere selbstüberwachende Geräte liefern.

SPS sind einfach zu programmieren, da ihre Programmiersprache der Logik eines Relais ähnelt. Daher wird sich ein gewöhnlicher Industrieelektriker oder Elektroingenieur, der mit dem Lesen von Relaislogikdiagrammen vertraut ist, wohl fühlen, eine SPS so zu programmieren, dass sie die gleichen Funktionen ausführt.

Die Signalverkabelung und die Standardprogrammierung variieren etwas zwischen den verschiedenen SPS-Modellen, sie sind jedoch ähnlich genug, um hier eine „allgemeine“ Einführung in die Programmierung dieses Geräts zu rechtfertigen.

Die folgende Abbildung zeigt eine einfache SPS, bzw. wie sie von vorne aussehen könnte. Zwei Schraubklemmen für Anschlüsse für interne SPS-Schaltkreise bis 120 VAC sind mit L1 und L2 gekennzeichnet.

Sechs Schraubklemmen auf der linken Seite bieten Anschlüsse für Eingabegeräte. Jeder Anschluss repräsentiert einen anderen Eingangskanal (X). Die Schraubklemme („gemeinsamer“ Anschluss) in der unteren linken Ecke wird normalerweise mit L2 (Neutralleiter) der 120-VAC-Stromversorgung verbunden.

Im SPS-Gehäuse, das jeden Eingangsanschluss mit dem gemeinsamen Anschluss verbindet, befindet sich ein Geräte-Opto-Isolator (LED), der bei 120-Volt-Wechselstrom ein elektrisch isoliertes „High“-Signal an die Computerschaltung liefert (der Fototransistor interpretiert das LED-Licht). wird zwischen der entsprechenden Eingangsklemme und der gemeinsamen Klemme angelegt. Anhand der LED auf der Vorderseite der SPS lässt sich erkennen, welcher Eingang aktiviert ist:

Ausgangssignale werden von der Computerschaltung der SPS erzeugt, indem ein Schaltgerät (ein Transistor, ein Thyristor oder sogar ein elektromechanisches Relais) aktiviert und der Quellenanschluss (untere rechte Ecke) mit einem beliebigen Ausgang mit der Bezeichnung Y verbunden wird. Der Source-Anschluss ist normalerweise mit L1 verbunden. Wie jeder Eingang ist auch jeder bestromte Ausgang mit einer LED gekennzeichnet:

Somit kann die SPS mit beliebigen Geräten wie Schaltern und Elektromagneten verbunden werden.

Grundlagen der SPS-Programmierung

Die moderne Steuerungslogik wird über ein Computerprogramm in der SPS installiert. Dieses Programm bestimmt, welche Ausgänge unter welchen Eingangsbedingungen aktiviert werden. Obwohl das Programm selbst einem Relais-Logikdiagramm ähnelt, gibt es in der SPS keine Schaltkontakte oder Relaisspulen, die Verbindungen zwischen Eingang und Ausgang herstellen. Diese Kontakte und Spulen sind imaginär. Das Programm wird mit einem Personalcomputer geschrieben und angezeigt, der an den SPS-Programmieranschluss angeschlossen ist.

Betrachten Sie die folgende Schaltung und das folgende SPS-Programm:

Wenn der Tastschalter nicht aktiviert (nicht gedrückt) ist, wird das Signal nicht an den Eingang X1 gesendet. Gemäß dem Programm, das den „offenen“ Eingang X1 anzeigt, wird das Signal nicht an den Ausgang Y1 gesendet. Dadurch bleibt der Ausgang Y1 stromlos und die daran angeschlossene Anzeige erlischt.

Wird der Taster gedrückt, wird das Signal an den Eingang X1 gesendet. Alle X1-Kontakte im Programm nehmen einen aktivierten Zustand an, als wären sie Relaiskontakte, die durch Anlegen einer Spannung an eine Relaisspule namens X1 aktiviert werden. In diesem Fall wird der offene Kontakt X1 „geschlossen“ und sendet ein Signal an die Y1-Spule. Wenn die Y1-Spule mit Strom versorgt wird, leuchtet der Y1-Ausgang mit einer daran angeschlossenen Glühbirne.

Es versteht sich, dass Kontakt X1 und Spule Y1 über Drähte verbunden sind und das „Signal“, das auf dem Computermonitor erscheint, virtuell ist. Sie existieren nicht als echte elektrische Komponenten. Sie sind nur in einem Computerprogramm – einer Software – vorhanden und ähneln lediglich dem, was in einer Relaisschaltung geschieht.

Ebenso wichtig ist es zu verstehen, dass der Computer, der zum Schreiben und Bearbeiten des Programms verwendet wird, für die weitere Verwendung der SPS nicht benötigt wird. Sobald das Programm in die speicherprogrammierbare Steuerung geladen wurde, kann der Computer ausgeschaltet werden und die SPS selbst führt die Programmbefehle aus. Wir beziehen in die Abbildung einen PC-Monitor ein, damit Sie die Beziehung zwischen realen Bedingungen (Schließen des Schalters und Lampenstatus) und Programmstatus (Signale über virtuelle Kontakte und virtuelle Spulen) verstehen.

Die wahre Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit einer SPS kommt zum Tragen, wenn wir das Verhalten eines Steuerungssystems ändern möchten. Da es sich bei der SPS um ein programmierbares Gerät handelt, können wir die von uns gegebenen Befehle ändern, ohne die daran angeschlossenen Komponenten neu zu konfigurieren. Nehmen wir an, dass wir beschlossen haben, die Funktion „Schalter – Glühbirne“ in umgekehrter Reihenfolge neu zu programmieren: Drücken Sie die Taste, um die Glühbirne auszuschalten, und lassen Sie sie los, um sie einzuschalten.

Die Lösung dieses Problems unter realen Bedingungen besteht darin, den Schalter, der unter normalen Bedingungen „offen“ ist, durch einen „geschlossenen“ zu ersetzen. Seine Softwarelösung besteht darin, das Programm so zu ändern, dass der Kontakt X1 unter normalen Bedingungen „geschlossen“ und nicht „offen“ ist.

Im folgenden Bild sehen Sie das bereits geänderte Programm, wobei der Schalter nicht aktiviert ist:

Und hier ist der Schalter aktiviert:

Ein Vorteil der Implementierung der Logiksteuerung in Software im Gegensatz zur Steuerung in Hardware besteht darin, dass die Eingangssignale so oft wie nötig verwendet werden können. Stellen Sie sich beispielsweise einen Schaltkreis und ein Programm vor, die dazu dienen, eine Glühbirne einzuschalten, wenn mindestens zwei von drei Schaltern gleichzeitig aktiviert werden:

Um eine ähnliche Schaltung mit Relais aufzubauen, bräuchte man unter normalen Bedingungen drei Relais mit zwei offenen Kontakten, die jeweils verwendet werden müssen. Mithilfe einer SPS können wir jedoch, ohne zusätzliche Hardware hinzuzufügen, so viele Kontakte für jeden „X“-Eingang programmieren, wie wir möchten (jeder Ein- und Ausgang sollte nicht mehr als 1 Bit im digitalen Speicher der SPS belegen) und aufrufen sie so oft wie nötig.

Da außerdem jeder SPS-Ausgang nicht mehr als ein Bit in seinem Speicher belegt, können wir im Programm Kontakte herstellen, die dazu führen, dass sich der Y-Ausgang in einem nicht aktivierten Zustand befindet. Nehmen wir zum Beispiel ein Diagramm eines Motors mit einem Steuerungssystem zum Starten und Stoppen:

Der an Eingang X1 angeschlossene Schalter dient als „Start“-Taste, während der an Eingang X2 angeschlossene Schalter als „Stop“-Taste dient. Ein weiterer Kontakt namens Y1, ähnlich der Dichtung im Kontakt, ermöglicht es dem Motorschütz, auch dann unter Spannung zu bleiben, wenn die Starttaste losgelassen wird. In diesem Fall können Sie sehen, wie der im Normalfall „geschlossene“ Kontakt

Wenn Sie die „Start“-Taste drücken, fließt Strom durch den „geschlossenen“ Kontakt X1 und sendet 120 VAC an das Motorschütz. Auch der Parallelkontakt Y1 „schließt“ und schließt so den Stromkreis:

Wenn wir nun den „Start“-Knopf drücken, geht der Kontakt X1 in den „offenen“ Zustand, der Motor läuft aber weiter, da der geschlossene Kontakt Y1 die Spule weiterhin unter Strom hält:

Um den Motor zu stoppen, müssen Sie schnell die „Stop“-Taste drücken, wodurch Spannung an den Eingang X1 und den „offenen“ Kontakt übermittelt wird, der die Spannungsversorgung der Spule Y1 stoppt:

Beim Drücken der „Stop“-Taste blieb der X1-Eingang spannungslos und der X1-Kontakt kehrte dadurch in seinen normalen „geschlossenen“ Zustand zurück. Der Motor startet unter keinen Umständen wieder, bis Sie den Startknopf erneut drücken, da die Plombe am Pin Y1 verloren gegangen ist:

Das fehlertolerante Modell von SPS-Steuergeräten ist ebenso wie bei elektromechanischen Relaissteuergeräten sehr wichtig. Sie müssen immer die Auswirkungen eines fälschlicherweise „offenen“ Kontakts auf den Betrieb des Systems berücksichtigen. Wenn also beispielsweise in unserem Fall der Kontakt X2 versehentlich „geöffnet“ wird, gibt es keine Möglichkeit, den Motor zu stoppen!

Die Lösung für dieses Problem besteht darin, den X2-Pin in der SPS neu zu programmieren und tatsächlich die Stopp-Taste zu drücken:

Bei nicht gedrückter Stopp-Taste ist der SPS-Eingang X2 bestromt, d. h. Kontakt X2 ist „geschlossen“. Dadurch kann der Motor zu laufen beginnen, wenn Strom an Pin X1 angelegt wird, und weiterlaufen, wenn die Starttaste losgelassen wird. Wenn Sie die „Stopp“-Taste drücken, geht der Kontakt X2 in den „offenen“ Zustand und der Motor hört auf zu arbeiten. Sie sehen also, dass zwischen diesem Modell und dem Vorgängermodell kein funktionaler Unterschied besteht.

Wenn jedoch der Eingangskontakt X2 versehentlich „geöffnet“ wurde, kann der Eingang X2 durch Drücken der „Stop“-Taste gestoppt werden. Dadurch wird der Motor sofort abgeschaltet. Dieses Modell ist sicherer als das Vorgängermodell, bei dem das Drücken der Stopp-Taste das Abstellen des Motors unmöglich macht.

Zusätzlich zu den Eingängen (X) und Ausgängen (Y) verfügt die SPS über die Möglichkeit, „interne Kontakte und Spulen“ zu verwenden. Sie werden wie Zwischenrelais in Standard-Relaisschaltungen verwendet.

Um das Funktionsprinzip der „internen“ Schaltkreise und Kontakte zu verstehen, betrachten Sie die folgende Schaltung und das folgende Programm, die nach dem Prinzip der drei Eingänge der logischen UND-Funktion entwickelt wurden:

Bei diesem Schema leuchtet die Lampe, bis eine der Tasten gedrückt wird. Um die Lampe auszuschalten, drücken Sie alle drei Tasten:

Dieser Artikel über speicherprogrammierbare Steuerungen veranschaulicht nur einen kleinen Auszug ihrer Fähigkeiten. Als Computer kann eine SPS andere erweiterte Funktionen mit viel größerer Genauigkeit und Zuverlässigkeit ausführen als der Einsatz elektromechanischer Logikgeräte. Die meisten SPS verfügen über mehr als sechs Ein- und Ausgänge. Die folgende Abbildung zeigt eine der Allen-Bradley-SPS:

Mit Modulen mit jeweils 16 Ein- und Ausgängen ist diese SPS in der Lage, Dutzende Geräte zu steuern. In einem Schaltschrank untergebracht, nimmt die SPS nur wenig Platz ein (elektromechanische Relais mit den gleichen Funktionen würden viel mehr freien Platz benötigen).

Einer der Vorteile einer SPS, die einfach nicht durch ein elektromechanisches Relais dupliziert werden kann, ist die Fernüberwachung und -steuerung über digitale Computernetzwerke. Da eine SPS nichts anderes als ein spezialisierter digitaler Computer ist, kann sie problemlos mit anderen Computern „kommunizieren“. Das folgende Foto ist eine grafische Darstellung des Flüssigkeitsabfüllprozesses (Pumpstation für die kommunale Abwasserbehandlung), der von einer SPS gesteuert wird. Darüber hinaus liegt die Station selbst mehrere Kilometer vom Computermonitor entfernt.

Übersetzung aus dem Englischen – Julia Surta.

Für die SPS-Programmierung hat die International Electrical Commission (IEC) den Standard IEC 6-1131/3 entwickelt, der 6 Programmiersprachen definiert:

· CFC (Kontinuierliches Funktionsdiagramm);

· SF C(Sequentielles Funktionsdiagramm);

· FBD(Funktionsblockdiagramm);

· LD(Leiterdiagramm);

· ST(Strukturierter Text);

· IL(Anweisungsliste).

Vier zuerst Die Sprachen CFC, SFC, LD und FBD verwenden grafische Notation – ausgeführte Befehle, Operationen und Funktionen werden grafisch dargestellt, ähnlich wie in Diagrammen.

Die letzten zwei Sprache(ST, IL) sind Text. Sie befähigen Programmierer.

Mit den Sprachen der IEC 61131-3 werden nicht nur Automatisierungsaufgaben programmiert, sondern auch Algorithmen der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI).

IEC 6-1131/3-Sprachen vereinen Funktionalität und Einfachheit. Sie schützen den Benutzer auch vor den meisten Fehlern, die bei der Verwendung herkömmlicher Programmiersprachen häufig auftreten. Die Implementierung von IEC 6-1131/3 in einem integrierten HMI-System ist nicht nur erfüllt die Anforderungen der Norm, bietet dem Benutzer aber auch einen zusätzlichen Service in Form eines erweiterten Satzes von Funktionsblockbibliotheken, die Standardsteuerungsalgorithmen implementieren.

Für alle sechs Sprachen gibt es EinzelmechanismusVerbindung mit Echtzeitdatenbank. Nach diesem Mechanismus muss jedes Programm über eine Reihe von Argumenten verfügen. Die Eingabedaten werden über Eingabeargumente an das Programm übergeben und die Ergebnisse der Berechnungen werden in Ausgabeargumenten zurückgegeben. Argumente werden mit Kanalattributen, also mit realen Ein- und Ausgängen von Controllern, mit Schnittstellengeräten, Zellen von Unternehmensdatenbanken sowie mit internen Variablen verknüpft. Dank dieses Designs kann dasselbe Programm mehrmals pro Zyklus aufgerufen werden, um verschiedene Datenströme zu verarbeiten.

Das Programmieren und Debuggen von Programmen in den Sprachen IEC 6-1131/3 erfolgt in integrierte Entwicklungsumgebung , das mehrere verschiedene Editoren umfasst. Es werden speziell Programme in den Sprachen FUP, KOP, CFC und SFC erstellt und debuggt visuelle Redakteure , und ST und IL – in einem Texteditor .

Trotz der Unterschiede können Programme in verschiedenen IEC 6-1131/3-Sprachen interagieren untereinander. Beispielsweise kann ein FUP-Programm einen in der ST-Sprache geschriebenen Funktionsblock aufrufen und innerhalb dieses Blocks kann ein Unterprogramm in KOP aufgerufen werden usw. Solch Flexibilität Die Wahl der Mittel zur Beschreibung von Algorithmen ermöglicht es sowohl einem Programmierer als auch einem Technologen, einem Setup-Ingenieur und einem Unternehmensberater, effektiv an einer Aufgabe zu arbeiten, wenn jeder von ihnen dies tut seinen Teil der Arbeit auf eine für ihn bequeme Weise erledigen.

SFC-Sprache. In der IEC-Sprachfamilie SFC-Diagramme (Sequentielles Funktionsdiagramm) Sind High-Level-Grafik ein Werkzeug, das die Ideen von Petri-Netzen nutzt. Dank SFC wird aus einer grafischen Darstellung eines Systemmodells ein vollständiges Programm.

Die praktische Umsetzung der SFC-Sprache für SPSen begann bei französischen Unternehmen. Die gemeinsame Arbeit von SPS-Herstellern und Anwendern führte zur Entstehung des nationalen Standards „Grafset“ und dann des internationalen Standards IEC 848 (1988). Der neueste IEC 61131-3-Standard übernimmt Grafset mit einigen Modifikationen.

SFC Es ist ein leistungsstarkes Mittel zur Strukturierung komplexer Algorithmen. Tatsächlich ist SFC keine eigenständige Sprache. Aus dem Englischen übersetzt kann die Abkürzung SFC mit „Functional Sequence Diagram“ übersetzt werden. Äußerlich ähnelt das SFC-Programm Blockdiagramm des Algorithmus (Abb. 2.1), das einzelne Programmblöcke (Schritte), Übergänge zwischen ihnen und die Bedingungen, unter denen diese Übergänge ausgeführt werden, anzeigt.

Abbildung 2.1 – Beispiel einer Programmdarstellung in der SFC-Sprache

Übergänge in SFC haben eine ausgeprägte Top-Down-Richtung und werden durch gerade Linien wiedergegeben. Positionen im SFC werden aufgerufen Schritte oder in Stufen. Sie werden im Diagramm als Rechtecke dargestellt. Dank dieser Darstellung ist es möglich, Diagramme in pseudografische Symbole umzusetzen. Es ist nicht möglich, im SFC mehrere Startschritte anzugeben; nur ein Diagrammschritt ist der Startschritt. Jeder Programmblock ist wie jede Übergangsbedingung ein Unterprogramm in einer der Sprachen der Norm IEC 6-1131/3. Das SFC-Diagramm ermöglicht die schnelle Erstellung eines Systemprototyps ohne Programmierung, da zur Darstellung des Systems auf der obersten Ebene keine detaillierte Beschreibung von Aktionen und Verknüpfungen mit spezifischer Hardware erforderlich sind.

Diese Sprache ist sehr praktisch für die Programmierung von Batch-Prozessen, Dosiersystemen usw Geschäftsanwendungen. SFC kann sowohl von Ingenieuren als auch von Ingenieuren verwendet werden Wirtschaftsanalysten.

Sprache FBD . Sprache FBD Entwickelt für Verfahrenstechniker, die Probleme der Prozesssteuerung lösen. Es bietet ein visuelles Werkzeug zur Programmierung von Steuer- und Regelkreisen. Ein FBD-Programm ist eine Schaltung, die aus einer Reihe von Funktionsblöcken besteht, die über Ein- und Ausgänge miteinander verbunden sind (Abb. 2.2).

Abbildung 2.2 – Beispielprogramm in FBD-Sprache

Die Softwarepakete enthalten mehr als 150 Standardfunktionsblöcke, die ein breites Spektrum an Funktionen implementieren – von einfachsten logischen Operationen bis hin zu einem vorgefertigten adaptiven Controller. Standard-FBD-Blöcke implementieren die Funktionen Filterung, PID-Regelung, Modal-, Fuzzy- und Positionsregelung, PWM-Umwandlung sowie Steuerblöcke für Ventile, Schieber, Motoren usw.

Kontaktplan-DiagrammspracheLD(Leiterdiagramm) oder Relaisdiagramme(RKS) ist eine grafische Sprache, die die Strukturen elektrischer Schaltkreise implementiert.

RKS ist eine amerikanische Erfindung, die darauf abzielt, die Relaisautomatisierung von Montagelinien durch programmierbare Steuerungen zu ersetzen. Die RKS-Sprache ermöglichte die Lösung von Problemen der transparenten Übertragung von Relaisschaltungen an SPS. Von fast allen führenden SPS-Herstellern wurden verschiedene Versionen der Softwareimplementierung von Relaisschaltungen erstellt. Aufgrund der Einfachheit der Darstellung hat die RKS-Sprache an Popularität gewonnen, was der Hauptgrund für ihre Aufnahme in die IEC-Norm war.

Die Worte „Leiterlogik“ klingen heute recht archaisch, doch die Relaistechnik ist immer noch weit verbreitet.

Grafisch wird das LD-Diagramm in Form von zwei vertikalen Leistungsbussen dargestellt. Zwischen ihnen befinden sich Stromkreise, die durch Verbindungskontakte gebildet werden (Abb. 2.3). Die Last für jeden Stromkreis ist ein Relais. Jedes Relais verfügt über Kontakte, die in anderen Stromkreisen verwendet werden können.

Abbildung 2.3 – Darstellung eines Relaisdiagramms in KOP-Sprache

Logisch sequentielle (AND), parallele (OR) Verknüpfung von Kontakten und Invertierung (NOT) bilden eine boolesche Basis. Daher eignet sich die LD-Sprache nicht nur ideal für den Aufbau von Relaismaschinen, sondern auch für die Softwareimplementierung kombinatorischer Logikschaltungen. Durch die Möglichkeit, in anderen Sprachen geschriebene Funktionen und Funktionsblöcke in ein Programm in der KOP-Sprache einzubinden, ist der Anwendungsbereich der KOP-Sprache praktisch unbegrenzt.

IL-Unterrichtssprache. Die IL-Sprache (Instruction list, wörtlich „Liste der Anweisungen“) ist ein typischer Assembler mit einem Akkumulator und Sprüngen nach Labels (Abb. 2.4). Der Befehlssatz ist standardisiert und nicht von einer bestimmten Zielplattform abhängig.

Vor der Verabschiedung der IEC-Norm gab es eine Reihe von Varianten dieser Sprache, darunter auch solche mit russischen Abkürzungen.

Den größten Einfluss auf die Entstehung moderner IL hatte die Programmiersprache STEP der Siemens-Steuerungen.

Mit der IL-Sprache können Sie mit beliebigen Datentypen, Aufruffunktionen und Funktionsblöcken arbeiten, die in jeder Sprache implementiert sind. Somit kann ein Algorithmus beliebiger Komplexität in IL implementiert werden, obwohl der Text recht umständlich sein wird.

Abbildung 2.4 – Ansicht des IL-Programms im CoDeSys-Editorfenster

Als Teil der IEC-Sprachen wird IL zur Erstellung kompakter Komponenten verwendet, die eine sorgfältige Entwicklung erfordern, was viel Zeit in Anspruch nimmt. Wenn Sie mit IL arbeiten, können Sie sich viel klarer vorstellen, wie der übersetzte Code aussehen wird als bei anderen Sprachen. Dadurch gewinnt IL dort, wo die höchste Effizienz erreicht werden muss.

Strukturierte Textsprache ST. Die ST-Sprache (Structured Text) ist eine Hochsprache. Syntaktisch ist ST eine leicht angepasste Pascal-Sprache. Anstelle von Pascal-Prozeduren verwendet ST IEC-Programmkomponenten.

Für Spezialisten, die mit der Sprache C vertraut sind, wird die Beherrschung von ST ebenfalls keine Schwierigkeiten bereiten. Vergleichen wir zur Veranschaulichung gleichwertige Programme in den Sprachen ST und C:

WHILE CounteroO DO while (Counter – ! = 0)

Zähler:= Zähler-1; (

Varl:= Varl*2; Varl *= 2;

WENN Varl > 100 DANN wenn (Varl > 100)

Var2:= Var2 + 1; Varl = 1;

Die meisten SPS-Programmierpakete bieten standardmäßig die ST-Sprache zur Beschreibung der Aktionen und Bedingungen von SFC-Übergängen an.

2.4 Entwerfen Sie Pakete, die den Standard unterstützen
IEC 61131-3

Im Gegensatz zu einfachen Controllern, deren Programmierung normalerweise auf die Angabe einer Reihe von Konstanten beschränkt ist und über das eingebaute oder entfernte Bedienfeld erfolgt, werden spezielle Controller für die Programmierung universell einsetzbarer logischer Controller verwendet Softwaresysteme.

Dank der Offenheit des IEC-Standards sind eine Reihe spezialisierter Unternehmen entstanden, die sich ausschließlich mit SPS-Programmiertools befassen. Die Programmiersysteme dieser Unternehmen weisen bestimmte Unterschiede auf, die sich nur auf die Implementierung der Schnittstelle konzentrieren – im Grafikstil, im Umfang der Servicefunktionen, im Inhalt zusätzlicher Bibliotheken und in der Implementierung des Ausführungssystems ist, was die Anwendung der Norm nicht betrifft.

Die folgenden Komplexe sind die berühmtesten der Welt.

Simatic Step 7(Hersteller – deutsches Unternehmen Siemens http://www.siemens.de/).

Die STEP 7-Software enthält das zentrale Tool Simatic Manager, mit dem vielfältige Funktionen umgesetzt werden können Siemens-Hardwareprogrammierung .

Alle Hardware- und Softwareanforderungen des Automatisierungsprozesses in SIMATIC S7 werden in einem Projekt erfüllt.

Dieses Projekt enthält die notwendige Hardware (+ Konfiguration), Netzwerkerstellung (+ Konfiguration), alle Programme und Daten zur Lösung des Automatisierungsproblems.

CoDeSys(Hersteller – Deutsches Unternehmen 3S Intelligente Softwarelösungenhttp://www.3s-software.com).

CoDeSys ist eines der am weitesten entwickelten funktionell vollständig Programmierwerkzeuge in der Norm IEC 61131-3.

TRACE-MODUS(Hersteller: AdAstra Research Group, Ltd, Russland).

TRACE MODE ist ein integriertes Informationssystem für das industrielle Produktionsmanagement. Das Programm enthält Werkzeuge zur Entwicklung einer Bedienerschnittstelle (SCADA/HMI), zur Programmierung von Steuerungen (Softlogic), zur Verwaltung von Anlagevermögen (EAM), zur Personalverwaltung (HRM) und für Produktionsprozesse (MES).

Die Hauptaufgabe der SPS-Programmierwerkzeuge besteht darin, die Arbeit des Anwendungssystementwicklers zu automatisieren. Er soll von Routinearbeiten und dem ständigen „Neuerfinden des Rades“ befreit werden.

Integrierte SPS-Programmiersysteme haben eine Reihe von Fähigkeiten entwickelt, die es ermöglichen, sie als schnelle Entwicklungstools einzustufen. Die integrierte Umgebung setzt das Vorhandensein integrierter Editoren für Text- und Grafikinformationen voraus.

Integration eines Texteditors Die Integration in eine einheitliche Programmierumgebung umfasst Folgendes:

· die Möglichkeit, schnell Standardtextelemente einzugeben und sofort Operatoren, Funktionen und Funktionsblöcke in den Text einzufügen;

· die Möglichkeit, Eingaben schnell und automatisch abzuschließen. Beispielsweise wird die Zeile: „INP1 I 3;Input 1“ am Ende der Eingabe (CoDeSys) entsprechend den IEC-Anforderungen in die Zeile umgewandelt:

INP1: INT:= 3; (* Eingabe 1 *);

· automatische Deklaration von Variablen;

· Darstellung des Abschnitts „Variablendeklarationen“ als Text oder als Tabellenkartei, unterteilt und sortiert nach funktionaler Bedeutung (Eingabevariablen, lokal usw.);

· Syntaxprüfung und automatische Eingabeformatierung;

· Automatische Zeilennummerierung, die die Beschreibung und Wartung des Programms vereinfacht.

Diese Funktionen tragen erheblich dazu bei, den Prozess der Programmvorbereitung zu beschleunigen und die Anzahl von Fehlern in Programmen zu reduzieren.

Integration des Grafikeditors bietet die folgenden Funktionen, wenn Design:

· automatische Verfolgung von Komponentenverbindungen (der Programmierer muss überhaupt keine Verbindungen zeichnen – das System zeichnet automatisch grafische Verbindungslinien);

· automatische Platzierung von Komponenten (die grafischen Editoren CoDeSys und OpenPCS verfügen über diese Eigenschaft);

· automatische Nummerierung der Stromkreise;

· Kopieren und Verschieben einer ausgewählten grafischen Gruppe von Komponenten unter Berücksichtigung ihrer individuellen Besonderheiten;

· Beliebige Bildskalierung zur optimalen Darstellung bei der Analyse großer verzweigter grafischer Diagramme.

Im Modus Ausführung Integrierte Editoren zeigen „lebendige“ Texte und grafische Diagramme an. Bei grafischen Diagrammen wird die Reihenfolge der Ausführung klar wiedergegeben.

Im Allgemeinen Das Softwarepaket muss Folgendes bieten :

· Einheitlicher Verbindungsmechanismus mit SPS. Der Betrieb von Debugging-Tools sollte nicht davon abhängen, wie der Controller mit dem Debugger verbunden ist. Dabei spielt es keine Rolle, ob der Controller auf demselben Computer emuliert wird, ob der Controller über die serielle Schnittstelle des Computers angeschlossen ist oder ob er über das Internet verbunden ist.

· Laden des Steuerungsprogrammcodes in den Speicher der Steuerung.

· Automatische Code-Versionskontrolle (Überprüfung der Übereinstimmung des im SPS-Speicher enthaltenen Codes mit dem nach der aktuellen Kompilierung erhaltenen Code).

· Ausführung des Steuerungsprogramms in Echtzeit.

· Stoppmodus. Stoppen bedeutet, nur die Ausführung des Steuerprogrammcodes zu stoppen. Gleichzeitig werden alle anderen Phasen des Betriebszyklus ausgeführt und die Fähigkeit zur Beobachtung der Werte der Eingaben bleibt erhalten. In diesem Modus können Sie Sensoren und Mechanismen des gesteuerten Objekts testen und konfigurieren;

· SPS-Reset. Es kann verschiedene Arten des Zurücksetzens geben. Der IEC-Standard sieht zwei Arten von Reset vor: „heiß“ und „kalt“. Die erste besteht darin, das Steuerprogramm auf seinen Ausgangszustand zurückzusetzen und die anfängliche Initialisierung von Variablen durchzuführen. Die zweite Art des Zurücksetzens fügt eine anfängliche Initialisierung von Variablen hinzu, die sich in einem nichtflüchtigen Speicherbereich befinden. Darüber hinaus kann die SPS durch Ausschalten der Stromversorgung oder Neustarten des Mikroprozessors einem Hardware-Reset unterzogen werden. Bei einem Hardware-Reset muss das Programmiersystem angemessen reagieren. Die detaillierte Reaktion auf Reset-Befehle wird vom Ausführungssystem bestimmt. Daher kann es auch in derselben Programmierumgebung zu einigen Unterschieden zwischen verschiedenen SPSen kommen.

· Überwachung und Änderung der Momentanwerte aller Projektvariablen, einschließlich SPS-Ein- und Ausgänge. Zur Vereinfachung der Verwendung werden die Werte in einem vom Benutzer angegebenen Zahlensystem dargestellt.

· Fixierung von Variablen, einschließlich Ein- und Ausgängen. Feste Variablen erhalten in jedem Betriebszyklus die angegebenen Werte, unabhängig vom aktuellen Zustand der SPS und den Aktionen des Steuerungsprogramms. Mit dieser Funktion können Sie elementare externe Ereignisse unter Laborbedingungen simulieren und unerwünschte Betätigungen von Aktoren beim Debuggen an einem „lebenden“ Steuerobjekt vermeiden. Der unkontrollierte Betrieb von Mechanismen kann zu Störungen führen und eine Gefahr für umliegende Personen darstellen.

· Ausführung des Steuerungsprogramms in Schritten eines Arbeitszyklus. Wird zur Überprüfung der logischen Korrektheit eines Algorithmus verwendet.

· Schrittweises Ausführen von Programmbefehlen und Setzen von Haltepunkten.

· Sehen Sie sich die Reihenfolge der Komponentenaufrufe an einem Haltepunkt an.

· Grafische Verfolgung von Variablen. Die Werte der benötigten Variablen werden in einem Umlaufpuffer gespeichert und in Form von Grafiken auf dem PC-Bildschirm dargestellt. Werte können am Ende jedes Arbeitszyklus oder nach festgelegten Zeiträumen erfasst werden. Der Trace wird manuell oder synchronisiert mit einer festgelegten Wertänderung einer bestimmten (Trigger-)Variable ausgelöst.

· Visualisierung – animierte Bilder, die aus grafischen Grundelementen bestehen, die mit Programmvariablen verknüpft sind. Der Wert der Variablen kann die Koordinaten, Größe oder Farbe des Grafikobjekts bestimmen. Zu den grafischen Objekten gehören geometrische Vektorformen oder Freiform-Rasterbilder. Eine Visualisierung kann Feedback-Elemente wie Schaltflächen, Schieberegler usw. enthalten. Mithilfe einer Visualisierung wird ein Bild erstellt, das ein Steuerobjekt oder Bediensystem modelliert.

SPSen verfügen über mehrere grundlegende Programmiersprachen. Erstens ist es etwas Ähnliches wie höhere Programmiersprachen. Man nennt sie strukturierte Textsprache (im bürgerlichen ST). Eine äußerst praktische Sache, wenn Sie über Programmierkenntnisse verfügen. Eigentlich wurde es für Programmierer erfunden. Als die SPS entwickelt und umgesetzt wurde, war der Beruf des Programmierers (im Sinne eines intelligenten Programmierers mit guter technischer Ausbildung) jedoch noch knapper als in unseren harten Zeiten. Daher entwickelten die praktischen Yankees und die ganze Welt anschließend verschiedene Arten von Grafiksprachen. Für Elektriker wurde eine Relaisdiagrammsprache (bürgerlich LD) erstellt. Im Allgemeinen nichts Kompliziertes - ein Eingangsbus, ein Ausgangsbus, dazwischen eine Schaltung aus Relais, normalerweise geschlossen oder offen, und natürlich Timer und alle möglichen Auslöser. Der Vorteil liegt in der Einfachheit – wenn es nur ein Diagramm gäbe, wäre das Programm geschrieben. Der Nachteil ist die Schwierigkeit, mit analogen Signalen zu arbeiten.

Eine andere Art von grafischer Sprache ist die Sprache der Funktionsblöcke (im bürgerlichen FBD). Es erinnert mich sehr an die Arbeit beispielsweise mit dem Simulink-Paket des Matlab-Softwarepakets; für einen Freund gegenüber erinnert es mich an Vissim. Ja, im Allgemeinen ist es schwierig, eine technische Ausbildung zu erhalten, ohne jemals mit dieser Art von Software in Berührung zu kommen. Die Basis von allem sind Blöcke, die durch Kommunikationsleitungen in der erforderlichen Reihenfolge verbunden sind. Wenn Sie ein Technikfreak sind, ist es vielleicht am einfachsten, es zu erlernen und aktiv zu nutzen. Plus – Klarheit, intuitive Klarheit der implementierten Algorithmen. Nachteile: Arbeiten mit Zyklen. Das ist natürlich möglich, aber auf ST ist diese Art von Programm einfacher und kürzer geschrieben.
Die neueste Version der grafischen Sprache ist algorithmisch (SFC). Dies ist die Grafiksprache auf höchstem Niveau. Jeder Schritt ist ein kleines (oder großes) Programm. Eine sehr schöne Sprache, die von Technologen aller Couleur zu Recht verehrt wird. Ermöglicht die Erstellung eng strukturierter Projekte, die leicht zu debuggen sind. Es gibt nur einen Nachteil: Sie sollten mit dem Studium erst beginnen, wenn Sie die Sprache ST, LD oder FBD ausreichend beherrschen. Darauf müssen noch Programme für einen separaten Schritt geschrieben werden.

Oh ja. Ich habe es fast vergessen. Es gibt auch etwas Ähnliches wie Assembler. Man nennt es eine Liste von Anweisungen (im bürgerlichen IL). Wenn Sie ein Fan von endloser Akkulaufzeit sind, ist dies das Richtige für Sie. Nachteile: langer Programmcode, der nur in Anhängen von Dissertationen gut aussieht, Debugging-Probleme. Kurz gesagt, nach meinem Verständnis ist es das fünfte Rad im SPS-Programmierwagen. Ich kann mich irren.

Programm oder Projekt?

Trennen wir sofort die Koteletts von den Fliegen. Der Code, den wir heldenhaft schreiben, ist natürlich ein Programm. Genauer gesagt ist ein Programm ein Code, der den SPS-Betriebszyklus definiert. Der Controller hat möglicherweise nicht einen, nicht zwei, sondern viele. Sie können sich aufgrund zeitlicher, externer oder programmbezogener Ereignisse ändern. Das heißt, das Programm ist eine eher private Sache. Die Gesamtheit dessen, was in die Steuerung „gegossen“ wird, wird üblicherweise als Projekt bezeichnet. Neben einer Reihe von Programmen umfasst das Projekt angeschlossene Bibliotheken, Datentypen, Visualisierungen, Konfigurationen, Einstellungen für eine bestimmte SPS und vieles mehr.

Einer der Hauptzwecke der Automatisierung ist die Überwachung von Zustandsänderungen eines Objekts und die Möglichkeit, diesen Prozess zu steuern. Die Reduzierung von Veränderungsprozessen führt zu einer Steigerung der Produktivität und Effizienz. Bildverarbeitung und Bewegungssteuerung tragen dazu bei, Abweichungen zu reduzieren und die Flexibilität moderner Automatisierungssysteme zu erhöhen. Die erhöhte Flexibilität und Funktionalität von Steuerungssystemen kann wiederum dazu führen, dass einige ältere Systeme an den Rand ihrer Verarbeitungsfähigkeit geraten.

SPS-speicherprogrammierbare Steuerungen sind heutzutage die Norm in Automatisierungssystemen. Zu den Kosten für neue Technologien kommen oft noch die Möglichkeit zur Aufrüstung der Ausrüstung und/oder zusätzliche Möglichkeiten zur Implementierung neuer Betriebssysteme hinzu. Das Hinzufügen von Bewegungssteuerungsgeräten oder benutzerdefinierten Eingangsmodulen zu einer speicherprogrammierbaren SPS-Steuerung kann jedoch auch erhebliche Auswirkungen auf die Kosten der gesamten Ausrüstung haben.

Relative Kosten, Erweiterbarkeit, Funktionalität sowie die Umsetzung von Benutzeroptionen sind die Anforderungen an moderne Industriesteuerungen. Kann die SPS weiterhin das Hauptwerkzeug zur Automatisierung von Produktionssystemen bleiben, da die Anforderungen an Verarbeitungsgeschwindigkeit, Speicher und Leistung in den letzten Jahren deutlich gestiegen sind?

Verwaltungs Prozess

In seiner einfachsten Form besteht der Steuerungsprozess aus drei Hauptkomponenten – Sensor, Controller und Aktor. Der Sensor sammelt Informationen über das gesteuerte Objekt und übermittelt sie an die Steuerung, die die empfangenen Daten verarbeitet und ein Steuersignal an den Aktor sendet. Dieses Design wird als Closed-Loop- oder Closed-Loop-System bezeichnet.

Beispielsweise können die Gasüberwachung und die Temperatur in einem Stickstoffofen für die Wärmebehandlung wichtig sein, aber Raumfeuchtigkeits- oder Vibrationsdaten haben möglicherweise überhaupt keinen Einfluss auf den Wärmebehandlungsprozess. Das Hinzufügen der neuesten Daten zu einem automatischen Steuerungssystem bringt absolut keinen Nutzen, sondern macht es nur komplizierter und erhöht die Kosten. Wir können daraus schließen, dass Komplexität kritisch wird, weil sie die Design-, Programmier- und Fehlerbehebungskosten reduziert und die Installation von Komponenten vermeidet, die keinen praktischen Nutzen haben.

Nach der Erfassung durch Sensoren gelangen die Informationen an den Controller, der die Rolle eines „Gehirns“ übernimmt. Es verarbeitet die empfangenen Informationen basierend auf den ihm vom Programmierer zugewiesenen Algorithmen und Programmen. Wenn der Wert nicht innerhalb der festgelegten Grenzen liegt, sendet die Steuerung ein Signal an den Aktuator, um den Fehler zu korrigieren, und zwar so lange, bis der Fehler die akzeptablen Grenzen erreicht. Der Aktuator ist der Muskel des automatischen Kontrollsystems (ACS). Er wird einen physischen Einfluss auf das gesteuerte System haben. Betätigungsmechanismen für selbstfahrende Waffen können verschiedene elektrische Antriebe, hydraulische Antriebe, pneumatische Antriebe und andere Mechanismen sein.

„Der Controller weiß, was passiert, und kann Entscheidungen treffen. „Die SPS ist unangefochtener Spitzenreiter in der industriellen Automatisierung“, sagt Matteo Dariol, Ingenieur bei Bosch Rexroth. „Die Abkürzung beinhaltet „programmierbare Logik“, da zu Beginn der elektronischen Revolution in den 1960er und 1970er Jahren damit begonnen wurde, Steuergeräte aus diskreten elektronischen Bauteilen zu bauen. Zuvor führte eine Änderung der Designspezifikation zu einer Neugestaltung und Umgestaltung der gesamten Steuerlogik sowie zu Änderungen an den physischen Elementen der Steuergeräte. Mit dem Aufkommen der speicherprogrammierbaren SPS-Steuerung besteht der Aufwand zur Änderung des Steuerungsalgorithmus fast ausschließlich aus der Änderung der Software.

Moderne SPS sind recht zuverlässige Geräte und ihre Programmiersprachen sind standardisiert. Softwareentwicklungsumgebungen für speicherprogrammierbare Steuerungen verfügen noch nicht über gemeinsame einheitliche Standards, da alle großen Player auf dem Markt für elektronische Komponenten ihre eigenen einzigartigen Lösungen anbieten. Die Programmierung und Fehlerbehebung in einer SPS kann sogar noch einfacher sein als in einem Personal Computer, einem PC, den jeder von uns sehr gut zu kennen scheint. Die speicherprogrammierbare Steuerung SPS ist modular aufgebaut und bietet die Möglichkeit, je nach Projektanforderung verschiedene Module anzuschließen: zusätzliche I/O-Ports, Sicherheitsmodule sowie spezifische Kommunikationsmodule, um nur einige Beispiele zu nennen.

Der modulare Aufbau verleiht speicherprogrammierbaren Steuerungen den Hauptvorteil der Skalierbarkeit. Es gibt weitere Vorteile wie Kosten, Einfachheit des Designs und strukturelle Festigkeit. ACS-Elemente wie Relais müssen regelmäßig überprüft und ausgetauscht werden, und hier zeigt sich ein weiterer Vorteil der SPS – ein Minimum an beweglichen mechanischen Teilen. Es bestehen Möglichkeiten zur Integration mit komplexeren Systemen, beispielsweise einer PC-Steuerung.

SPS-Einschränkungen

Eine SPS verfügt im Vergleich zu einem Personal Computer (PC) über begrenzte Speicher-, Software- und Peripheriefunktionen. Die Bewegungssteuerung (z. B. Robotik oder ein komplexes automatisiertes System) erfordert eine große Anzahl von Ein-/Ausgängen und erfordert zusätzliche SPS-Steuerungsmodule oder externe Elektronik. Es ist jedoch erwähnenswert, dass der Computer viel mehr Informationen schneller verarbeiten kann, was die physische Größe erheblich reduzieren und die erforderliche Rechenleistung für die Implementierung von Computer-Vision-Systemen und Bewegungssteuerung bereitstellen und eine schnelle Verarbeitung großer Datenströme ermöglichen kann . Das ständige Wachstum der verarbeiteten Informationen ist mit der schrittweisen Einführung des industriellen Internets der Dinge (IIoT) durch einige Unternehmen in Produktionslinien und Industrieanlagen verbunden, die große Rechenleistung erfordern.

Originalgerätehersteller (OEMs) können die Geräteproduktivität steigern, indem sie es den Maschinen ermöglichen, mehrere Vorgänge gleichzeitig auszuführen. Maximal intensive UND/ODER-Berechnungen gleichzeitig laufender kritischer Prozesse können die speicherprogrammierbare Steuerung überlasten. Maschinen können mehrere Computerplattformen nutzen, um die Verarbeitungszeit für kritische Prozesse zu verkürzen. Typischerweise umfassen sie einen oder mehrere Bewegungscontroller und einen oder mehrere Überwachungsprozessoren, die eine Bedienerschnittstelle für Programmierung, Maschinenbetriebsinformationen, Datenerfassung und technische Supportfunktionen unterstützen. Der Einsatz mehrerer Prozessoren ist jedoch teurer. Neue Software für PC-Plattformen könnte zur Lösung dieses Problems beitragen, obwohl ...

Der PC ist nicht so zuverlässig und kann in industriellen Umgebungen wie Staub und Feuchtigkeit nur schwer überleben. Der Einsatz eines PCs mit komplexerer Software oder einer Vielzahl von Softwareoptionen erfordert deutlich mehr Zeit für die Schulung des Wartungspersonals. Für fortgeschrittene Software ist möglicherweise ein Programmierer erforderlich, der Wartungs-, Reparatur- und Aktualisierungsarbeiten durchführt. SPS-Software mag zwar einfach sein, verfügt aber über eigene, bewährte Standardsprachen, die trotz ihrer Geschwindigkeit und Linearität die Langlebigkeit des Geräts gewährleisten können.

SPSen verwenden typischerweise einen branchenüblichen Satz von Programmiersprachen (IEC 61131-3), einschließlich KOP-Diagrammen. KOP-Diagramme werden analog zu Stromkreisen erstellt, was die Schulung, Wartung und Reparatur des Personals erheblich vereinfacht. In den meisten Fällen ist es durchaus möglich, auf einen Programmierer zu verzichten. Eine weitere Sprache aus der Norm IEC 61131-3 ist strukturierter Text, der einer „Hochsprache“ ähnelt. Allerdings kann die Verwendung anderer nicht standardmäßiger Hochsprachen wie C++ oder Visual Basic mit einer SPS schwierig sein. Erst seit kurzem ermöglichen neue Softwaretools Benutzern die Kommunikation mit einer SPS wie mit einem normalen PC.

Das SPS-Ablaufprogramm scannt alle Anweisungen in jedem Zyklus. Der Scanzyklus dauert etwa 10 ms oder etwas länger. Sobald alle Anweisungen abgeschlossen sind, geht das Programm zum nächsten Scan über. Wird die Anweisung nicht innerhalb der angegebenen Zeit ausgeführt, wird eine Fehlermeldung generiert und die Programmausführung abgebrochen. Diese Hard-Time-Software kann die Programmdauer und alle Eingangssignale unter 100 Hz begrenzen.

Wenn beispielsweise ein Signal eines Drehzahlsensors mit einer Nenndrehzahl von 1200 U/min (Signalfrequenz 1200/60 = 200 Hz) verarbeitet werden muss, kann ein SPS-basierter Mikrocontroller die Drehzahl über einen solchen Eingang nicht korrekt messen. Es ist notwendig, ein spezielles Modul mit einem Decoder oder Zähler auf integrierten Schaltkreisen zu integrieren, das das Signal vom Sensor in ein Signal umwandelt, das normalerweise vom Mikrocontroller verarbeitet wird. Solche Konvertermodule werden häufig in vielen Systemen eingesetzt. Erwähnenswert ist auch der Bedarf an Ausgangsmodulen am Beispiel der Ansteuerung eines Magnetventils mit einer PWM-Betriebsfrequenz von 10 kHz. Um ein solches Gerät über eine SPS zu steuern, ist ein Ausgangsmodul mit einem PWM-Generator erforderlich. Das Hinzufügen solcher Module erhöht die Kosten des Systems um das 2- bis 3-fache.

Die nächste SPS-Generation

Das neue System wird als programmierbarer Automatisierungscontroller (PAC) bezeichnet und kann einige SPS-Probleme lösen. Einige Experten argumentieren, dass programmierbarer Automatisierungscontroller (PAC) ein kommerziellerer Name sei, aber das ist nicht ganz richtig. Leider gibt es einige Unterschiede zwischen ihren Definitionen und aus technologischer Sicht sind grundlegende Unterschiede zwischen ihnen ziemlich schwer zu finden.

PCAs umfassen typischerweise SPS-Funktionalität. Bei beiden handelt es sich um digitale Geräte, aber PDAs bieten erweiterte Programmierfunktionen und verfügen oft über größere Funktionalität, Speicher und Peripheriefunktionen. PKA bietet komplexere Architektursysteme, wenn eine größere E/A-Konnektivität erforderlich ist. Darüber hinaus verfügt es in der Regel über integrierte Funktionen zum Übertragen von Daten vom Speicher auf ein USB-Laufwerk und bietet oft die Möglichkeit, direkt mit Datenbanken zu interagieren.

Zusätzliche Softwarefunktionen klingen sicherlich gut, aber es ist erwähnenswert, dass nicht alle PDAs die Standardsprachen IEC 61131-3 unterstützen können, was zu zusätzlichen Programmier- und Wartungsproblemen führen kann.

Es gibt verschiedene Modelle dieser Geräte. PKA bietet möglicherweise Modelle an, die sich auf Bildverarbeitungssysteme konzentrieren, oder andere, die für die gleichzeitige Überwachung mehrerer Prozesse konzipiert sind. Bei der Wahl des Modells bzw. der Technologie müssen sowohl die Anforderungen der Zukunft (Modernisierung und Erweiterung der Produktion) als auch Standards (z. B. Sicherheit) berücksichtigt werden. Planung kann die Lebensdauer des Controllers verlängern, indem sie zukünftige Anforderungen erfüllt, aber auch den Grundstein für den Einsatz von IIoT und dezentraler Steuerung legen.

SPS sind immer noch relevant, doch die Entwicklung von Bildverarbeitungssystemen, dynamischen Roboterprozessen und Bewegungssteuerung sowie der Wunsch nach einer stärkeren industriellen Automatisierung mittels IIoT erfordern, dass die speicherprogrammierbare Steuerung über deutlich mehr Rechenleistung oder Speicher verfügt, wozu sie nicht in der Lage ist bereitstellen. Dezentrale Technologie kann zur Erweiterung der Legacy-Produktreihe beitragen, indem sie Produkte wie SoCs und FPGAs anbietet, die Informationen direkt auf dem Sensor selbst verarbeiten. Das bedeutet, dass das Hinzufügen eines komplexen Prozesses zu einer bestehenden Linie nicht unbedingt die Installation einer teuren PCA erfordert, sondern eine Gruppe intelligenter Sensoren erfordert, die ihre Messdaten unabhängig speichern und verarbeiten können.

Ist es möglich, beide Optionen zu nutzen?

Was die Debatte zwischen SPS und PCA noch verwirrender macht, ist die Tatsache, dass es möglich ist, ein Steuerungssystem ohne eines von beiden aufzubauen. Ein Netzwerk aus intelligenten Sensoren und Software kann kombiniert werden, um programmierbare Steuerungen im gesamten Werk zu eliminieren oder stärker zu dezentralisieren. SoCs sind eine der Technologien, die den Prozess dezentralisieren können. Bedenken Sie jedoch, dass zu viele Protokolle auf einem einzelnen SoC dazu führen können, dass sich die Anzahl der Testzyklen erhöht, die zum Testen eines Prozesses oder eines Teils eines Prozesses erforderlich sind, was zu einem Verhalten führt, das einer Überlastung einer speicherprogrammierbaren Steuerung ähnelt.

Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Technologien, die es speicherprogrammierbaren Steuerungen, Dezentralisierungstechnologien und programmierbaren Automatisierungssteuerungen ermöglichen, für den effizientesten Betrieb des Unternehmens zusammenzuarbeiten. Es müssen mehrere grundlegende Schritte unternommen werden, um zu bestimmen, welche Technologien möglicherweise erforderlich sind.

„Zuerst müssen Sie verstehen, welche Faktoren für einen erfolgreichen Betrieb wichtig sind und welchen Grad der Veralterung ein Gerät oder eine Leitung tolerieren kann“, sagt Julie Robinson, Marketingmanagerin bei Rockwell Automation. „Sobald die Risiken identifiziert sind, müssen Benutzer eine Strategie entwickeln, um dieses Risiko zu mindern und letztendlich zu beseitigen, und die erste Modernisierung des Zellbetriebs planen. Zu den Faktoren, die diese Veränderungen beeinflussen, gehören:

• Erfüllung zukünftiger Produktionsanforderungen oder Verbesserung der aktuellen Produktivität;
• Einhaltung der neuesten Sicherheitsanforderungen und -vorschriften;
• Erhöhung der Flexibilität von Produktionssystemen, um die Produktion effektiv zu erweitern oder die Ausrüstung zu modernisieren;
• Steigerung der Effizienz der Anlagennutzung durch Reduzierung von Ausfallzeiten;
• Erhöhung der Produktionssicherheitsmaßnahmen und der Gerätesicherheit;

Benutzer müssen auch verstehen, welche Änderungen an der Ausrüstung im Laufe mehrerer Betriebsjahre der Anlage oder Fabrik vorgenommen wurden, was in Diagrammen und Zeichnungen widergespiegelt werden sollte.

Eine genaue Dokumentation der Altgeräte wird bei der Integration neuer Geräte eine große Hilfe sein. Und wenn die dezentrale Plattform bereits integriert ist, wird die Dokumentation noch wichtiger. Dezentrale Controller zeigten weniger Zeit bei der Installation neuer Geräte. In einem herkömmlichen, zentralisierten System müssen Ingenieure oder Wartungspersonal eine Verbindung zu einer speicherprogrammierbaren Steuerung herstellen, um Probleme zu erkennen und bei Bedarf Steuerungssoftware herunterzuladen. Ein gut konzipiertes System sollte einfach zu bedienen, leicht zu warten und skalierbar sein.

Um eine Verbindung zu einem dezentralen System herzustellen, müssen Spezialisten nicht physisch um das Gerät herumlaufen. Um dieses Problem zu beseitigen, versuchen Geräteserviceunternehmen, mehrere technologisch kompatible Systeme miteinander zu verbinden. Dies bedeutet häufig die Integration älterer Systeme mit neuer Technologie und Software.

Derzeit möchte ein sehr kleiner Prozentsatz in die Modernisierung bestehender Geräte investieren, es sei denn, diese sind hoffnungslos veraltet. Darüber hinaus werden Entscheidungen über die zukünftige Modernisierung bereits bei der Konstruktion der Ausrüstung getroffen, und häufig ist mehr als ein Unternehmen an der Konstruktion verschiedener Ausrüstungen beteiligt, sodass es in der Zukunft bei der Modernisierung zu Konflikten kommen kann.

Bevor Sie die beste Technologie für Ihre Ausrüstung auswählen, ist es wichtig zu verstehen, dass die Technologie nicht nur jetzt, sondern auch in der Zukunft mit Ihren Zielen kompatibel sein und die von Ihnen benötigte Funktionalität ohne unnötige Komplexität bieten muss. Für viele Unternehmen ist es schwierig und teilweise sinnlos, Experten in allen Bereichen zu halten, weshalb das Industrial Internet of Things (IIoT) in letzter Zeit immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Begriffe und Definitionen

Der Unterschied zwischen PLC und PCA kann sich auch auf andere Technologien auswirken. Beispielsweise bieten Systeme auf einem Chip (SoC), vom englischen System-on-a-Chip (SoC), eingebettete Computer (eingebetteter PC) und feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), einige Technologien, die die Fähigkeiten programmierbarer Systeme ersetzen oder erweitern können Logik-Controller. Für einige Technologien gibt es jedoch noch keine etablierten Definitionen und Wissenschaftler diskutieren über eine genauere Beschreibung dieser Technologien. Aber wir werden versuchen, einige grundlegende Definitionen zu geben.

Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS).

Es handelt sich um einen digitalen Computer zur Automatisierung industrieller Systeme. Es wurde speziell dafür entwickelt, rauen Betriebsbedingungen wie Temperaturbereichen, Druck, elektrischem Rauschen, Vibrationen und anderen rauen Industrieumgebungen standzuhalten. Es verfügt über das wichtigste Merkmal, das ihm tatsächlich eine solche Popularität verschafft hat: Es ist ein starres Echtzeitsystem.

Echtzeitmodus

Viele Menschen verstehen unter Echtzeit die Erledigung einer Aufgabe „so schnell wie möglich“. Aber das ist nicht so. Ein Echtzeitsystem garantiert, dass alle Eingaben, Ausgaben und Rechenprozesse innerhalb eines festgelegten Zeitraums verarbeitet werden, der in der Fachliteratur häufig als Frist bezeichnet wird. In harten Echtzeitsystemen kommt das Versäumen von Fristen einem Systemausfall gleich. Ein weiches Echtzeitsystem wiederum lässt geringfügige Fristüberschreitungen zu, allerdings nur dann, wenn dies zu einer akzeptablen Verschlechterung der Qualität des Systems führt. Zum Beispiel Videokonferenz. Eine geringfügige Verzögerung von Audio oder Video hat keine katastrophalen Folgen.

Wenn ein SPS-Programm kompiliert wird, berechnet es, ob die erforderlichen Ressourcen zur Ausführung der Benutzeranweisungen verfügbar sind, und führt dann die zugewiesene Aufgabe im erforderlichen Zeitrahmen aus.

Programmierbare Automatisierungssteuerung PKA

Es handelt sich um einen digitalen Computer mit SPS-Funktionalität. Eine programmierbare Automatisierungssteuerung ist ein relativ junges Konzept, das Anfang der 2000er Jahre auf den Markt kam. In den meisten Fällen handelt es sich bei der PCA um eine Weiterentwicklung der speicherprogrammierbaren Steuerung. Die SPS ist die Brücke zwischen relaisbasierter elektrischer Automatisierung und elektromechanischer programmierbarer Automatisierung, wobei der Schwerpunkt auf softwarebasierten Abläufen liegt (eine Definition, die vor 40 Jahren gegeben wurde).

Weiches Echtzeitsystem (softPLC)

Wie oben erwähnt, garantiert ein weiches Echtzeitsystem nicht, dass die Aufgabe rechtzeitig erledigt wird. Daher werden sie nicht für Bewegungssteuerungssysteme verwendet. Stattdessen werden Soft-SPS für die Verbindung von Werk-zu-Werkstatt-Kommunikation, Mensch-Maschine-Schnittstellen und SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition) bevorzugt. Es ist durchaus möglich, dass es sich bei einigen PKAs um SoftPLCs handelt.

Embedded-PCs

Ein eingebetteter Industriecomputer ist kein Allzweckcomputer. Es ist für eine Einzelbenutzeranwendung konzipiert und optimiert. Alle seine Komponenten sind in der Regel auf einer Platine untergebracht, darunter Mikrocontroller oder Mikroprozessoren, Ein-/Ausgabebusse, Speicher und andere Benutzerchips. Das Gerät enthält sogar Software oder Firmware (die Firmware befindet sich normalerweise im ROM oder Nur-Lese-Speicher). Embedded-PCs sind tatsächlich die Schnittstelle zwischen Hardware und Software, da eine enge Beziehung zwischen den beiden Teilen besteht – das eine kann ohne das andere nicht funktionieren. Embedded-PC-Projekte können auf harte oder weiche Echtzeitanforderungen reagieren.