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Speicherprogrammierbare Steuerungen Einführung

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) wurden erstmals in den 1960er Jahren kommerziell eingesetzt. Seitdem ist die SPS-Industrie so gewachsen, dass keine mittlere bis große Produktionsstätte in den USA ohne sie effizient funktionieren kann. Es hat eine Multi-Milliarden-Dollar-Industrie pro Jahr geschaffen. Dazu gehören nicht nur Vertrieb, sondern auch Montage, Programmierung und Außendienst. Es hat unser Leben genauso beeinflusst wie der moderne PC oder das Handy. Ein guter Techniker muss verstehen, wie eine SPS die Automatisierung in einer Anlage oder einem Prozess steuert, um ihre Arbeit zu erledigen. Diese Ressource vermittelt ein grundlegendes Verständnis der Entwicklung einer SPS, der internen Teile und der Softwareprogrammierung.

Entwicklung der SPS

SPS wurden zuerst für die Automobilindustrie entwickelt. Hunderte von Motorsteuerpulten mit Tausenden von elektromechanischen Relais, Motorstartern, Pilotgeräten und Steuerungen waren erforderlich, um die Montagelinien in der Werkstatt zu betreiben. Wenn ein Modellwechsel gerechtfertigt war, konnten die Produktionslinien wochenlang stillgelegt werden, während die Montagelinien neu verkabelt und umgerüstet wurden. Es dauerte enorme Mengen an Arbeitsstunden von erfahrenen Elektrikern und Mühlenschreibern, um dies zu erreichen. All diese Ausfallzeiten und Arbeitskosten reduzierten die Gewinne des Autoherstellers.

In den 1960er Jahren beschloss die General Motors Corporation, die Führung bei der Änderung ihres Produktionsprozesses zu übernehmen. Die GMC Hydramatic Division suchte nach einer Möglichkeit, die Modellwechsel zu automatisieren. Der Modellwechsel war ein sehr arbeitsintensiver Prozess gewesen. Die Automatisierung des Prozesses würde Arbeit und Ausfallzeiten reduzieren und gleichzeitig den Gewinn steigern. Eine Firma namens Bedford and Associates (später Modicon) wurde von GMC beauftragt, einen Weg zu finden, diesen Prozess zu beschleunigen.

Das GM-Engineering-Team hat die folgenden Kriterien für das Projekt festgelegt:

  1. Der Controller musste Solid-State sein.
  2. Das System musste die Flexibilität eines Computersystems haben.
  3. Steuerungen mussten in der Lage sein, eine industrielle Umgebung zu überstehen.
  4. Die Programmierung musste einfach sein und von Anlagenelektrikern gewartet werden können.
  5. Das System musste wiederverwendbar sein.
  6. Die Preise mussten mit Relaissteuerungssystemen wettbewerbsfähig sein.
  7. Eingangs- und Ausgangsschnittstellen (I/O) mussten einfach austauschbar sein.
  8. Es musste ein modularer Aufbau verwendet werden, damit Baugruppen leicht entfernt, ausgetauscht und repariert werden konnten.
  9. Fertigungsdaten müssen gesammelt und an ein zentrales Rechensystem weitergegeben werden.
  10. Die Programmiermethode sollte in Form einer Relaisleiterlogik erfolgen, eine Methode, mit der Anlagenelektriker, Ingenieure und Techniker bereits vertraut waren.

Das Modicon-Team untersuchte den Wechselprozess der Montagelinie und entwickelte eine Möglichkeit, die Prozesssteuerungslogik zu ändern, ohne alle Relais und Schalttafeln neu verkabeln zu müssen. Modicon entwickelte einen kleinen Industriecomputer, der als speicherprogrammierbare Steuerung bezeichnet wird und in jedem Panel installiert werden kann. Die Anweisungen oder „Programme“ wurden von einem Programmiergerät an jedes Panel übertragen. Alle Feldgeräte wie Motorstarter, Relais und Steuergeräte wurden durch die Programmierung der SPS gesteuert. Immer wenn Änderungen am Prozess erforderlich waren, wurden Programme geändert und erneut übertragen oder auf die Steuerung in den Motorsteuerpulten heruntergeladen. Die Neuverkabelung von Schalttafeln und Relais war für Modellwechsel überflüssig und die Ausfallzeiten wurden von Monaten auf Tage reduziert. General Motors hat seine Montagewerke sofort auf diese neue Technologie umgestellt. Dies schuf eine neue Ära der Prozesssteuerung.

Heute werden SPS weltweit von Hunderten verschiedenen Herstellern hergestellt. SPS sind nicht mehr nur auf die Automobilindustrie beschränkt. SPS werden heute in intelligenten Häusern, in der Heizungs- und Klimaanlagenindustrie eingesetzt. sowie kommerziell in der Herstellung, im Transportwesen und in fast jedem fortschrittlichen Prozess. Sie haben sich zum Standard für die Prozesssteuerung in jeder Branche entwickelt. Werfen wir einen kurzen Blick darauf, wie und warum die SPS entwickelt wurde, indem wir uns das folgende Video ansehen.

Klicken Sie auf den Link unten für eine kurze Einführung in SPS:

Einführung in die SPS

SPS-Hardwarekomponenten

Was ist eine SPS und wie funktionieren SPS?

Eine SPS ist ein industrieller Computer, der die Eingaben eines Prozesses liest und Entscheidungen basierend auf der programmierten Logik trifft, um die Ausgänge eines Prozesses zu steuern.

SPS bestehen aus einigen verschiedenen Komponenten; Ein- und Ausgabemodule (I / O), ein Netzteil, ein Programmiergerät und eine Zentraleinheit (CPU). Die CPU verfügt außerdem über Speicher für Logikfunktionen und Datentabellen für die E / A-Speicherung und wird später behandelt. Beginnen wir also am Anfang und definieren genau, was Ein- und Ausgänge sind und wie sie mit einer SPS interagieren.

Abbildung 2- SPS-System

Abbildung 2- SPS-System

SPS-Ein- und Ausgabemodule (E/A)

Die Ein- und Ausgänge können je nach benötigtem Feldgerät digital oder analog sein. Ein Eingang ist ein Feldgerät, das die SPS darüber informiert, wie der Prozess abläuft. Ein Eingabefeldgerät kann ein Drucktastenschalter, ein Drucksensor oder ein Fotosensor sein, um nur einige zu nennen. Es gibt Hunderte von Arten von Eingängen, die einen Prozess überwachen und die Daten an die SPS zurückmelden. Das an die SPS gebundene Eingabefeldgerät wird nicht gesteuert, sondern nur von der SPS gelesen, um den Status der Prozesseingabe zu aktualisieren. Diese Eingänge können verschiedene Signaltypen haben, z. B. 4 bis 20 Milliampere, 24 Volt Gleichstrom oder 110 Volt Wechselstrom. Eine SPS ist vielseitig genug, um mehrere Signaltypen zu akzeptieren, indem verschiedene Eingangskarten installiert werden, die diese Signale akzeptieren.

Ein Output ist ein Befehl, der von der CPU-Logik geliefert wird, um ein Output-Feldgerät zu steuern. Diese Feldgeräte können Relais, Timer, Motorstarter, Lichter, Zähler oder Anzeigen umfassen. Der Ausgabebefehl wird durch die aktualisierten Eingabetabellen, die CPU-Logik und ein Signal gesteuert, das an das zu steuernde Ausgabefeldgerät gesendet wird.

Diese Ein- und Ausgänge sind nicht direkt mit der SPS verbunden; wenn also einer ausfällt oder elektrisch kurzgeschlossen wird, kann dies zu einem Kurzschluss der gesamten SPS führen. Ein Schutzsystem wurde eingerichtet, um dies sowohl bei Eingängen als auch bei Ausgängen zu verhindern. Diese Feldgeräte werden an eine Ein-/Ausgangskarte angeschlossen, auf der Optoisolatoren installiert sind.

Der Opto-Isolator überträgt das Eingangssignal über Schaltkreise in ein Signal, das die SPS verstehen kann. Ebenso funktioniert die Ausgabekarte genau das Gegenteil einer Eingangskarte. Er wandelt die SPS-Sprache in ein Signal um, das für ein Ausgabefeldgerät nutzbar ist. Dies wird normalerweise durch eine LED (Light Emitting Diode) erreicht, die Licht abgibt, wenn ein Eingangssignal aktiv ist. Das Licht wird dann von einer Fotodiode detektiert und in ein nutzbares Signal für die SPS umgewandelt. Eingabetabellen werden kontinuierlich aktualisiert und Ausgaben können in Echtzeit geändert werden, da das Programm auf Änderungen von den Eingabefeldgeräten gescannt und zu einem Ausgang verarbeitet wird.

Klicken Sie auf den kurzen Film unten, um zu verstehen, wie Eingabe- und Ausgabemodule funktionieren.

Funktionsweise von Eingabe- und Ausgabemodulen

Programmiergerät

Programmiergeräte sind eine Möglichkeit für den Programmierer, das Programm zu schreiben und zu laden. Programmiergeräte können auch verwendet werden, um die E / A und den Prozess in Echtzeit zu überwachen und Fehler zu beheben, wenn der Prozess nicht ordnungsgemäß funktioniert. Es gibt verschiedene Arten von Programmiergeräten.

Früh wurden Handprogrammiergeräte verwendet. Sie hatten ungefähr die Größe eines wissenschaftlichen Rechners und zeigten jeweils nur eine Codezeile an. Heute ist der PC oder Laptop das am weitesten verbreitete Programmiergerät. Mehrere Codezeilen können auf einem Bildschirm angezeigt werden. Human Machine Interfaces (HMIS) werden für die Prozessüberwachung und Fehlerbehebung in der Fertigung immer beliebter. Die meisten sind für eine Visualisierung des Prozesses in Echtzeit programmiert und haben etwa die Größe eines Laptopbildschirms. Prozesswerte können auf dem Touchscreen-HMI geändert oder mehrere Bildschirme für verschiedene Prozessattribute programmiert werden. wie Überwachung, Fehlerbehebung, Prozesshistorie oder Alarme.

Abbildung 3 - Handprogrammiergerät

Abbildung 3 – Handprogrammiergerät (mit freundlicher Genehmigung von Rockwell Automation, Inc.)

 Abbildung 4 - Laptop–Programmiergerät

Abbildung 4 – Laptop-Programmiergerät

Abbildung 5 – HMI-Bildschirm am SPS-Trainer-SCC

Abbildung 5 – HMI-Bildschirm am SPS-Trainer-SCC

SPS-Stromversorgung

Das Netzteil stellt verschiedene Spannungsquellen bereit, die für die Steuerung des SPS-Trainers verschiedene Feldgeräte, CPU und interne Speicheroperationen. Die Stromversorgung erfordert normalerweise 110 Volt Wechselstrom. Ab diesem Punkt wird die Leistung auf elektrische Störungen gefiltert und zu internen SPS-Komponenten isoliert. Es wird dann nach Bedarf in eine niedrigere Spannung umgewandelt oder in den Gleichstrom gleichgerichtet. Das Netzteil kann je nach Anwendung zur Versorgung externer Ein- und Ausgänge verwendet werden.

Stromversorgung SPS

Abbildung 6 – SPS-System mit Stromversorgung

SPS-Zentraleinheit (CPU)

Die Zentraleinheit stellt alle Logikfunktionen bereit und steuert den Kommunikationsfluss mit anderen internen und externen Komponenten. Es ist das „Gehirn“ der SPS. Intern stellt die CPU Datenraum zur Verfügung, um die Programmanweisungen zu speichern. Es führt auch Mathematik-, Zähl- und Timing-Funktionen basierend auf der Programmlogik aus. Extern aktualisiert die CPU den Eingabedateistatus von Feldgeräten und führt die entsprechende Ausgabefunktion aus.

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