Was ist eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)?

Kontrollsystem

Was ist eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)?

Wenn Sie einige unserer Artikel über Steuerungssysteme gelesen haben, dann kennen Sie bestimmt noch ihre drei grundlegenden Komponenten? Wenn nicht, dann wiederhole ich sie hier noch einmal: Messgeräte, Regler und Aktoren.

Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) fällt, wie der Name schon sagt, in die Kategorie der Steuerungen. Sie können andere Steuerungen und Steuerungssysteme, wie Arduino oder Raspberry Pie auf dem Markt finden. Diese Geräte erfreuen sich zunehmender Beliebtheit im Internet der Dinge (IoT) und in der Heimautomatisierung. Für eine größere, komplexere Anwendung könnten Sie sich auch für ein verteiltes Kontrollsystem (DCS) anstelle eines SPS entscheiden. Trotzdem bleibt zu bemerken, dass die SPS mehr als jede andere Steuerung in der Industriebranche von den Menschen benutzt wird.

Mit freundlicher Genehmigung von Siemens

Eine SPS ist ein industrieller Solid-State-Computer, der Eingabegeräte überwacht und auf Logik basierende Entscheidungen zur Steuerung von Ausgabegeräten trifft. Mit anderen Worten, sie speichert Ihre gesamte programmierbare Logik. Diese Logik empfängt Ihre Prozesswerte (PVs) von Ihren Feldgeräten per Eingabe. Dann analysiert sie, wie nah sie an Ihren Sollwerten (SP) liegen. Liegt ein PV außerhalb seines Bereichs, dann sendet die SPS über Ausgänge elektronische Signale an Ihre Stellglieder, so dass die Aktoren Ihre Prozesswerte näher an Ihre Sollwerte bringen können.

Um zu verstehen, wie SP Steuerungen funktionieren, sollten wir uns ansehen, warum sie entstanden sind und welches System sie ersetzen mussten. Lassen Sie uns also rasch einen Blick zurück in die Geschichte werfen.

Geschichte der SPS

Vor der SPS mussten Sie Ihre Maschinen mit Relais Logik steuern. Ein Relais ist im Grunde genommen ein Gerät mit einer Spule im Inneren. Wenn es eingeschaltet wird, erzeugt die Spule eine magnetische Kraft, die einen Schaltzustand von EIN auf AUS oder umgekehrt wechselt. Damit konnten Sie einige Teile Ihres Prozesses kontrollieren.

Angenommen, Sie haben einen Wassertank mit zwei Füllstand-Schaltern, einen oben und einen unten am Tank. Eine einfache Füllstandsregelung würde die Relais Logik verwenden, um die Wasserpumpe einzuschalten, wenn beide Schalter in dem AUS-Zustand sind, und die Pumpe auszuschalten, wenn beide den EIN-Zustand erreichen.

Für einfache Anwendungen wie diese funktioniert die Relais Logik hervorragend. Wenn Ihre Anwendung jedoch komplexer wird und mehr Variablen enthält, kann die Relais-Logik problematisch werden. Sie müssen die Verdrahtung der Relais Panels physisch ändern, um Änderungen in der Logik vorzunehmen, was die Fehleranalyse ebenfalls erschwert.

Um das Logiksystem zu verbessern, beauftragte General Motors Dick Morleys Unternehmen, seinerzeit Bedford and Associates, mit der Entwicklung einer “Standard-Maschinensteuerung” als Ersatz für das Relaissystem.  Laut PLCDEV.com stellte GM einige Anforderungen, die dieses Gerät erfüllen sollte:

  • Ein Solid-State-System, flexibel wie ein Computer, aber preislich konkurrenzfähig zu einem ähnlichen Relais-Logik-System.
  • Einfache Wartung und Programmierung gemäß einem Standard-Kontaktplan.
  • Die Fähigkeit, trotz Schmutz, Feuchtigkeit, Elektromagnetismus und Vibrationen in einer industriellen Umgebung arbeiten zu können.
  • Modularer Aufbau für einfachen Austausch von Komponenten und Erweiterbarkeit.
Erste speicherprogrammierbare Steuerung SPS
Mit freundlicher Genehmigung von automatykab2b.pl

Nachdem Richard Morley den Zuschlag für diesen Auftrag zur Entwicklung des neuen Gerätes erhalten hatte, gründete er eine neue Firma namens MODICON, ein Akronym für Modular Digital Control, und begann mit der Arbeit an dem Projekt. Im Juni 1969 kam die erste funktionsfähige SPS heraus, die 084, das 84. Projekt seit der Gründung von MODICON.

SPS-Teile

Jetzt, da wir wissen, wie, warum und wann SP Steuerungen kreiert wurden, lassen Sie uns darüber sprechen, wie sie funktionieren. Um es einfacher zu machen, beginnen wir mit den drei Teilen einer SPS: der Stromversorgung und dem Rack, der Zentralprozessor (CPU) und den E/A-Modulen. Einige SP Steuerungen werden mit festen E/A-Modulen geliefert, aber bei diesen Ausführungen wollen wir uns auf SP Steuerungen mit austauschbaren Modulen konzentrieren.

Rack und Stromversorgung

Das Rack mit dem Netzteil umfasst das Gehäuse der SPS. Das Rack hält die Karten und Module der SPS zusammen. Die verschiedenen Arten von SPS-Karten umfassen E/A-Karten, Kommunikationsprotokoll Karten und mehr. Die Anzahl der Karten, die von Ihrer SPS unterstützt werden, hängt vom Modell ab, weil die Hersteller verschiedene SPS-Größen für verschiedene Prozesse anbieten.

Zentralprozessor

Wenn das Rack das Gehäuse der SPS ist, dann ist das CPU-Modul das Gehirn. Dieser kleine Computer verfügt über einen Mikroprozessor, Speicherchips und integrierte Schaltungen zur Steuerung von Logik, Überwachung und Kommunikation. Hier geht ihre Datenprogrammierung vor sich und wird hier auch gespeichert. Normalerweise können Sie aber nicht beides gleichzeitig machen und zwar, weil SP Steuerungen in zwei unterschiedlichen Phasen arbeiten, Programmiermodus und Run-Modus. Im Programmiermodus können Sie das gespeicherte Programm herunterladen und hochladen und bei Bedarf Änderungen vornehmen. Im Run-Modus führt die CPU jedoch nur die Steuerlogik aus, die sie in ihrem Speicher abgelegt hat.

E/A-Module

Zu guter Letzt haben wir die E/A-Module. Diese verbinden Ihre SPS mit Ihren Sensoren, Aktoren, Anzeigen, Transmittern und so weiter. Über diese Module sammelt die SPS Daten zu Ihren Prozesswerten und sendet Signale an die Stellglieder.

Wie funktioniert eine SPS?

An diesem Punkt gilt es zu verstehen, wie alle Teile zusammenkommen, um Ihren Prozess zu steuern. Als dedizierte Steuerung führt die SPS immer wieder das gleiche Programm oder die gleiche Steuerungslogik aus. Wir nennen diese Zeit die Scan-Zeit und sie dauert normalerweise nur ein paar Millisekunden.

Wie funktioniert eine speicherprogrammierbare Steuerung SPS
Mit freundlicher Genehmigung von elprocus.com

Selbst während dieser kurzen Zeitspanne führt die SPS einige Aktionen durch. Zuerst empfängt und liest sie alle Prozesswerte, die über Ihre Eingabemodule kommen. Mit diesen Daten führt die SPS ihre Steuerlogik aus, um die Übereinstimmungen mit den Sollwerten zu überprüfen. Findet sie Abweichungen, führt die CPU die Programmlogik aus, um Ihre Ausgangsmodule zu veranlassen, den Prozess so zu ändern, dass Ihre Prozesswerte wieder mit Ihren Sollwerten übereinstimmen.

Sobald die SPS ihren Arbeitszyklus beendet hat, beginnt sie immer wieder von neuem. Auf diese Weise stellt sie kontinuierlich sicher, dass sich Ihre Prozesswerte in der Nähe Ihrer Sollwerte befinden.

SPS-Programmiersprachen

Als die SPS Ende der 60er Jahre auf den Markt kam, verwendeten wir die Sprache (Ladder Diagram, LD), um sie zu programmieren. Diese Sprache ähnelt dem alten Relaisplan, was den Technikern und Ingenieuren den Wechsel zwischen den beiden Systemen erleichtert hat.

Im Laufe der Jahre entstanden weitere Programmiersprachen. Wenn Sie etwas über Kodierung wissen, können Sie beurteilen, wie viele Programmiersprachen es derzeit gibt – viel zu viele! Glücklicherweise hat die International Electrotechnical Commission IEC 61131-3 1993 die Programmiersprachen der SPS auf wenige standardisiert:

  • Anweisungsliste (IL)
  • Leiterdiagramm (LD)
  • Funktionsblockdiagramm (FBD)
  • Strukturierter Text (ST)
  • Ablaufsprache (SFC)

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, dann lesen Sie bitte unseren Artikel über SPS-Programmiersprachen.

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