Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind integrale Bestandteile von industriellen Hardwaresystemen. Da sie für die Verwendung durch Nicht-Ingenieure konzipiert wurden, ist es nur eine kleine Anstrengung wert, zu verstehen, wie wichtig SPS in der Anwendung sind und welche vielen Vorteile sie in der Werkstatt bringen.
SCHLUSSFOLGERUNGEN
PLC = Eingabe + Ausgabe + CPU
Die meisten PLCs verwenden Ladder Logic (LD)
PLCs verarbeiten diskrete Signale besser als analoge Signale
Was ist eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)?
Eine speicherprogrammierbare Steuerung ist ein Steuerungssystem mit Festkörperantrieb (d. h. ohne aktiv bewegte Teile) und benutzerprogrammierbarem Speicher. Eine SPS implementiert bestimmte wichtige Kommunikations- und Betriebsfunktionen in einer Fabrik:
Eingangs- und Ausgangssteuerung (E/A)
Logische und arithmetische Regeln
Zeitmessung und Zählung
PID-Regelung mit drei Betriebsarten
Daten- und Dateiverarbeitung
Einige SPS sind so klein, dass sie als Handheld-Geräte verwendet werden können, während andere so groß sind, dass sie in einem separaten Kontrollraum untergebracht werden müssen. Dies hängt natürlich von der Größe des jeweiligen Industrieunternehmens ab.
Es gibt zwei Optionen für speicherprogrammierbare Steuerungen: Feste E/A und Modular
Eine feste E/A-SPS kann auch als integrierte oder kompakte SPS bezeichnet werden. Bei diesem Typ ist die von der Maschine erzeugte Eingabe und Ausgabe vollständig in den internen Mikrocontroller integriert. Mit anderen Worten: Diese SPS ist eine undurchdringliche Hardware-Einheit, die keine internen Eingriffe zulässt.
Eine modulare SPS kann mit anderen Modulen kombiniert werden, um Kombinationen von Eingangs-/Ausgangs-Prozessoren zu bilden. Das ist heutzutage hilfreich, denn es bedeutet weniger Ausfallzeiten, leichtere Fehlererkennung, erweitertes Speicherpotenzial und ermöglicht maßgeschneiderte Industrielösungen. Einige modulare SPS werden oft als Reserve vorgehalten, für den Fall, dass eine oder mehrere Einheiten unerwartet ausgetauscht werden müssen.
Wie funktioniert ein PLC?
Eine SPS verarbeitet sowohl Daten als auch menschliche Eingaben. Zu den Dateneingängen gehören Informationen, die automatisch von Sensoren, Encodern und Detektoren gesendet werden. Menschliche Eingaben hingegen sind Tasten, Schalter, Tastaturen, Touchscreens, Fernbedienungen oder Kartenlesegeräte, die der Mensch zur Interaktion mit dem Betriebssystem verwendet.
Die SPS übernimmt diese Eingangsdaten und wandelt sie in physikalische oder visuelle Ausgaben um. Beispiele hierfür sind das Starten von Motoren, das Entleeren von Ventilen, das Versenden von Ausdrucken oder die Überwachung des GPS-Standorts von entfernten Geräten. Die Ausgabedaten können auch in Form einer visuellen Darstellung über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) erfolgen.
Aber wie lesen SPS die Eingaben, die sie erhalten?
Speicherprogrammierbare Steuerungen lesen Eingänge über Signale und setzen Daten in Ausgänge um. Es gibt zwei Arten von Signalen: diskrete und analoge.
Diskrete Signale sind an oder aus
So ist z. B. das Licht ENTWEDER an oder aus, oder das Schneidemesser einer Maschine ist ENTWEDER an Ort und Stelle abgesenkt oder nicht. Es gibt keinen Mittelweg.
Analoge Signale sind Bereiche oder Messungen
Der Arbeitsschritt ist z. B. abgeschlossen, wenn das Gerät eine Innentemperatur INNERHALB des Bereichs von 80-100 Grad feststellt, und beginnt nach einer Abkühlungszeit von 30-45 Sekunden mit der nächsten automatischen Bewegung.
Frühe speicherprogrammierbare Steuerungen wurden mit Kontaktplan (Ladder Logic) programmiert, auch bekannt als Ladder Diagram (LD) Sprache. Sie wurde so genannt, weil sie für Nicht-Ingenieure gedacht war und daher elektrische Diagramme verwendete, die wie Leitern aussahen, auf denen die Arbeitsschritte als Sprossen eingezeichnet waren.
Die Idee ist, dass alle Prozesse visuell dargestellt werden, so dass die Mitarbeiter schnell verstehen können, in welcher Reihenfolge die Arbeitsschritte ablaufen. Im Falle einer Änderung oder eines Stillstands im logischen Ablauf der Befehle kann schnell und effizient auf den richtigen Abschnitt der Programmierung zugegriffen werden, um die Ausfallzeit so gering wie möglich zu halten.
Im Jahr 2015 hat die IEC die Standards für SPS-Programmiersprachen festgelegt. Während die meisten PLCs noch Ladder Logic verwendeten, konnten sie nun auch Sprachen wie:
Strukturierter Text (ST)
Ablaufsprache (SFC)
Funktionsblockdiagramm (FBD)
Anweisungsliste (IL)
Natürlich ist der Kontaktplan (KOP) die bestimmende Logik der speicherprogrammierbaren Steuerung. Das liegt daran, dass die einfachen Vorgänge mit hohem Volumen, die PLCs steuern, am besten mit wenig Komplikationen funktionieren. Wenn eine Fabrik ein zu kompliziertes System verwendet, kann es zu häufigen Ausfällen kommen, und es wird schwierig zu erkennen sein, auf welchen „Leitersprossen“ oder Arbeitsschritten die Ausfälle auftreten.
Die Verlagerung komplizierter Prozesse für die Ausrüstung auf einen späteren Zeitpunkt in der Produktion rationalisiert diesen Informationsfluss und senkt den Energieverbrauch, der für die ersten logischen Prozesse benötigt wird.
Wozu können PLCs verwendet werden?
Speicherprogrammierbare Steuerungen sind wichtige Bestandteile von Steuerungssystemen wie SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) und kommunizieren problemlos mit der HMI (Human-Machine-Interface)-Technologie, so dass die Mitarbeiter sie gut verstehen.
PLCs führen auch kontinuierlich „Housekeeping“-Aktivitäten durch, wie z. B. die korrekte Kommunikation innerhalb des Steuerungssystems und interne Diagnoseprüfungen.
Sicherheits-SPSen gehen in dieser Hinsicht noch einen Schritt weiter – sie sind mit vielen Redundanzen programmiert, so dass sie in einer Notfallsituation über viele Fail-Safes verfügen, um Systemfehler abzufangen, falls es wirklich zu einer Verschlechterung kommt.
In einigen vollständig optimierten IIoT-Industriesystemen können Arbeiter heute Daten über das Internet, SQL-Datenbanken oder sogar die Cloud für Smart Factory-Anwendungen an eine SPS übermitteln.
PLC Vorteile
PLCs sind für einfache Ein- und Ausgänge konzipiert, aber auch extrem für Fabriken optimiert. Sie sind so gebaut, dass sie auch bei Staub, Schmutz und schwankenden Temperaturen langlebig sind. Da speicherprogrammierbare Steuerungen nur aus wenigen Komponenten bestehen, sind Probleme leicht zu beheben, falls sie einmal auftreten sollten.
PLCs sind viel langlebiger als die alten relaisbasierten Steuerungssysteme, die für häufige Ausfälle anfällig waren. Heutzutage können modulare SPS zusammen konfiguriert oder für eine bessere Leistung ein- und ausgetauscht werden.
Insgesamt verbrauchen sie wenig Strom und sind effizienter, leichter zu programmieren und einfach zu bedienen, was sie zu einer wichtigen Technologie für die industrielle Produktion macht. Die meisten Industriebetriebe verlassen sich in hohem Maße auf die durch die SPS-Technologie ermöglichte E/A-Organisation.
PLC-Nachteile
Eine hilfreiche Art und Weise, sich die SPS-Technologie vorzustellen, ist, sie als einen Schritt hinter den Möglichkeiten eines verteilten Steuerungssystems (DCS) zu sehen. Speicherprogrammierbare Steuerungen allein sind nicht fortschrittlich genug, um komplizierte Analogeingänge zu synthetisieren; das System braucht etwas mit etwas mehr zugänglichem Speicher und Übersteuerungsoptionen.
Eine SPS hätte zum Beispiel Schwierigkeiten, Daten in C++ zu verstehen und dem Benutzer komplexe Daten so detailliert anzuzeigen, dass sie nützlich sind.
SPS können auch anfällig für elektromagnetische Störungen (EMI) sein. Um elektrische Abschaltungen zu vermeiden, müssen die Bediener die Temperaturtoleranz der SPS, die CPU-Geschwindigkeit, den RAM-Speicherplatz und die potenzielle Kompatibilität mit anderer Systemhardware oder Stromquelle kennen.
Industrielle PLC Beispiele & Trends
Okay, Sie haben also PLCs beschrieben, aber was ist dieses PAC-Ding, von dem ich immer wieder höre?
Ein PAC (Programmable Automated Controller) ist so ziemlich das Gleiche wie eine SPS, nur mit einem höheren Grad an automatisierter Ausgabe. Der Begriff PAC wurde in den frühen 2000er Jahren eingeführt, um die damals aufkommenden moderneren SPS zu bezeichnen, die auf einer etwas komplizierteren Automatisierung beruhen.
PACs sind heute hilfreich, weil sie in BASIC oder C programmiert werden können, anstatt nur in Kontaktplan.
Da das industrielle Internet der Dinge mit dem Aufkommen von Industrie 4.0 immer weiter voranschreitet, steigt der Bedarf an PLCs im Edge Computing an den Enden der Netzwerke. Das liegt daran, dass die SPS nach dem zyklischen Poll-Response-Verfahren kommunizieren. Mit anderen Worten, sie senden ständig Daten und müssen mit dem Internet verbunden sein, um Signale von anderen automatischen Systemen empfangen zu können, um die nächsten Schritte zu erhalten.
Programmierbare Logikrelais (PLRs) sind eine weitere Form der SPS-Technologie, die speziell für kleine Betriebe entwickelt wurde, die nur wenige diskrete Ausgangsoptionen benötigen. Bei diesen PLR-Systemen handelt es sich um einfache All-in-One-E/A-Computer mit HMIs für eine einfache Installation und Nutzung. Sie sind NICHT modular oder erweiterbar, aber sie sind definitiv billiger und effizienter als modulare SPS- oder PAC-Systeme. Dadurch sind sie am besten für kleinere Betriebssysteme geeignet.
