AUTOMATISIERUNGSTECHNIK MIT SPS

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1 AUTOMATISIERUNGSTECHNIK MIT SPS Früher wurden Steuerungsaufgaben mit Schütz- oder Relaissteuerungen gelöst. Die Funktion einer Steuerung wurde dabei durch Verdrahtung und Kombination der Schaltelemente festgelegt. Eine solche Steuerung nennt man Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS). Als Grundlage dienten Stromlaufpläne, Belegungspläne und Verdrahtungslisten. Die Anlage konnte erst installiert werden, nachdem bekannt war, welche Aufgabe zu lösen war und welche Schaltelemente (Schalter, Schütze etc.) zur Verfügung standen. Wurde ein Fehler gemacht, musste die Verdrahtung gelöst und neu erstellt werden. Jede Funktionsänderung bzw. erweiterung war immer mit Bauteileänderungen, Umverdrahtung und Montagearbeiten verbunden. Heute werden in weiten Bereichen speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) verwendet. Dabei werden häufig für Teilaufgaben innerhalb einer gesteuerten Anlage unterschiedliche Mittel (z.b. hydraulische oder pneumatische Komponenten) eingesetzt. Der Verdrahtungsaufwand ist bei einer SPS wesentlich geringer und die Fehlerbeseitigung oder eine Anlagenerweiterung ist relativ einfach möglich. Die Funktion der Anlage wird durch ein Programm festgelegt. Natürlich ist es wesentlich einfacher ein Programm zu ändern als eine Schaltung umzuverdrahten.

2 Die Funktion der SPS wird im Wesentlichen durch das Programm im Programmspeicher des Automatisierungssystems festgelegt. Erstellt wird das Programm mit einem Programmiergerät, von dem es über eine Verbindungsleitung zur SPS übertragen wird. 1. Grundlagen der SPS 1.1. Hardware Das Automatisierungssystem (AS) bearbeitet das Programm. Seine Fuktion ist mit einem Computer ohne Tastatur und Bildschirm vergleichbar. Neben kompakten Automatisierungssystemen, die auf kleinstem Raum die wichtigsten Komponenten beinhalten, gibt es auch modular aufgebaute Automatisierungsgeräte, bei denen die einzelnen Komponenten individuell nach Anforderung zusammengestellt werden können. Dadurch sind sie sehr flexibel, leistungsstark und servicefreundlich. Die einzelnen Komponenten werden entweder auf eine Profilschiene aufgeschnappt oder in ein 19" Gehäuse eingeschoben. Bei manchen Geräten enthält die Profilschiene auch das Bussystem.

3 Eine Pufferbatterie dient dazu, die Daten und das Programm bei Netzspannungsausfall oder bei Abschaltung der Steuerung zu erhalten. Dies ist vor allem während der Testphase wichtig, wenn das Programm nur im Arbeitsspeicher steht. Fertige Programme werden dauerhaft in EEPROMs gespeichert. Speichermodule dienen zum Speichern der Programme im Automatisierungssystem. Die Programme müssen allerdings erst auf einen solchen Speicher geschrieben werden. Es gibt verschiedene Arten von Speichern wie z.b. RAM, EEPROM, FLASH-RAM. Zur Verbindung mehrerer Baugruppenträger verwendet man Anschaltungsbaugruppen. Sie übernehmen selbstständig die Kommunikation zwischen den Baugruppenträgern, auch über größere Entfernungen hinweg. Die Signalmodule passen die von außen kommenden und nach außen gehenden Signale an die internen Signalpegel an. Sie bilden die Schnittstelle zwischen CPU und der Anlage. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen digitalen und analogen Signalmodulen. Analogbaugruppen wandeln analoge Signale in digitale Signale für die interne Verarbeitung um. Sie werden deshalb besonders für Regelungsaufgaben, wie z.b. Temperatur-, Niveau- oder Drehzahlregelungen eingesetzt. Digitalbaugruppen setzen die Signale der angeschlossenen Signalgeber und Stellglieder auf SPS-Pegel um Funktionsbaugruppen erweitern das Automatisierungssystem für Spezialaufgaben wie Positionieren, Regeln, schnelles Zählen, Nockensteuerung, usw..

4 Die Vernetzung einzelner SPSen erfolgt über eine Verbindung der CPU- Schnittstellen (Multi Point Interface MPI). Für die Übertragung großer Datenmengen sowie die Anbindung an übergeordnete Systeme (über PROFIBUS, CAN-BUS, Industrial Ethernet,usw.) erfolgt über Kommunikationsbaugruppen. In den Kommunikationsbaugruppen kommen spezielle Kommunikationsprozessoren zum Einsatz. Zu einer SPS gehören neben dem Automatisierungssystem auch Signalgeber (z.b. Schalter) und Stellgeräte (z.b. Schütze).

5 Jede Zentraleinheit ist über ein Bussystem mit allen Komponenten bzw. Modulen verbunden. Über dieses Bussystem laufen die Steuerbefehle und der Datenaustausch. Die eigentliche Funktion der Anlage wird durch das Programm bestimmt. Ein Programm besteht aus einer Liste von Anweisungen, die vom Automatisierungssystem der Reihe nach abgearbeitet werden. Die Programmeingabe erfolgt über eigene Programmiergeräte die direkt an das Automatisierungsgerät angeschlossen werden oder über übergeordnete Geräte in denen das Automatisierungsprogramm durch Simulation getestet wird und dann an die SPS übertragen wird. Programmiergeräte sind im wesentliche Industrie-PCs.

6 1.2. Software Das Betriebssystem läuft in der CPU-Baugruppe und ermöglicht den Ablauf des Anwenderprogramms und die Kommunikation mit den einzelnen Ein- Ausgabebaugruppen. 2. Grundbegriffe 2.1. Die Norm IEC 1131 Teil 1: Allgemeine Informationen Teil 2: Betriebsmittelanforderungen Teil 3: Programmiersprachen Teil 4: Leitlinien für Anwender (Entwurf) Teil 5: Kommunikation (Entwurf) Bei der Normung der Programmiersprachen wurden folgende Schritte durchgeführt: VDI/VDE Richtlinie 2880 SPS-Programmiersprachen (1982). DIN SPS-Programmiersprachen (AWL, KOP, FUP) (1983). DIN Teil 6 Funktionspläne (GRAFCET) (1990). Erarbeitung einer umfassenden Norm durch IEC Working Group 65. Diese internationale Norm spiegelt sich auch in der europäischen und DIN Norm EN wiender Teil 1: Enthält allgemeine Begriffsbestimmungen und Funktionsmerkmale, die typisch für die SPS sind. Beispiel: Zyklische Bearbeitung, Prozeßabbild, Arbeitseinteilung von Programmiergerät, Automatisierungsgerät und B+B-Geräten

7 Teil 2: Legt die elektrischen, mechanischen und funktionellen Anforderungen an die Geräte fest und definiert die entsprechenden Typprüfungen. Folgende Anforderungen sind definiert: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Arbeitsbereich Netzeinspeisung, Störfestigkeit, Arbeitsbereiche für binäre Signale und die mechanischen Beanspruchungen der Geräte. Teil 3: Macht Festlegungen für die Programmiersprache. Es wurde keine neue Programmiersprache erfunden, sondern die vorhandenen Programmiersprachen wurden harmonisiert und neue zukunftsorientierte Elemente aufgenommen. Als vierte Sprache neben AWL, KOP und FUP wurde die Sprache "Strukturierter Text" mit aufgenommen. Teil 4: Gibt Leitlinien für die Anwender von SPS-Systemen. Es werden Hinweise für alle Phasen eines Projektes gegeben, beginnend bei der Systemanalyse über die Phasen der Spezifilation, Auswahl der Geräte bis hin zur Anwendung und Wartung der Geräte. Teil 5: Behandelt die Kommunikation zwischen SMSen verschiedener Hersteller und die Kommunikation beliebiger Geräte mit der SPS. Basierend auf der MAP- Standardisierung werden die Kommunikationsdienste einer SPS als Ergänzung zu ISO/IEC /2 festgelegt. Es werden die Kommunikationsbausteine für genormte Lese- und Schreibzugriffe beschrieben. Die Bit-Adresse wird durch einen Punkt von der Byte-Adresse getrennt. Damit ist jeder Ein- bzw. Ausgang durch seine Byte und Bit-Adresse eindeutig gekennzeichnet.

8 2.2. Darstellungsarten KOP,FUP,AWL Die Darstellungsform Funktionsplan hat den Vorteil, dass auch "Nicht-Elektriker" mit ihr umgehen können, wie z.b. Verfahrenstechniker. Außerdem ist sie in vielen Situationen besonders übersichtlich, was sich beispielsweise während einer Inbetriebnahme positiv auswirkt. Der Kontaktplan (KOP) ähnelt dem Stromlaufplan. Allerdings erscheinen die einzelnen Strompfade auf dem Bildschirm des Programmiergerätes nicht senkrecht nebeneinander, sondern waagrecht untereinander.

9 Achtung! Die Symbole - - und - / - stellen keine Schalter dar sondern Abfragen auf logisch "1" und "0". Ebenso verhält es sich bei den Ausgängen. Die Symbole stellen Spule --( )-- oder Spule negiert -- NOT --( )-- dar. Funktionen die sich nicht grafisch darstellen lassen, müssen in der Darstellungsart AWL programmiert werden. Die Anweisungsliste (AWL) zeigt das Programm in der Form, in der es auch im Programmspeicher steht. Jede Zeile enthält als kleinste Einheit des Programms eine Steueranweisung. Der Prozessor bearbeitet die Steueranweisungen der Reihe nach, also seriell.

10 In der AWL und ebenso im Programmspeicher stehen die Anweisungen in einer bestimmten Reihenfolge. Die erste Folge besteht aus Anweisungen, mit denen der Prozessor durch die Abfrage des Signalzustandes der Eingänge prüft, ob die im Programm enthaltenen Verknüpfungen (U für UND, O für ODER) erfüllt sind. Den Abschluss bildet eine Anweisung, bei deren Bearbeitung das Ergebnis aus den vorher bearbeiteten Anweisungen bestimmt, ob z.b. ein Ausgang ein- oder ausgeschaltet wird.

11 2.3. Adressierung Damit die Signalgeber und Stellgeräte Angesprochen werden können müssen sie eine Adresse im Automatisierungssystem besitzen. Jeder Ein- bzw. Ausgang wird durch seine Byte und Bitadresse eindeutig bestimmt. Die Bit-Adresse wird durch einen Punkt von der Byte-Adresse getrennt. Damit ist jeder Ein- bzw. Ausgang durch seine Byte- und Bit-Adressse eindeutig gekennzeichnet. Bei einem Wort entspricht die Wortadresse immer der des niederwertigen Bytes.

12 Das Eingangs-Doppelwort 0 (ED 0) besteht aus den Eingangs-Bytes EB 0, EB 1, EB 2 und EB 3. Doppelwörter sind nur möglich bei Modulen mit 32 Ein- oder Ausgängen. Ihretwegen wird bei den Byteadressen jeweils um den Wert 4 weitergezählt. Von einer festen Adressierung spricht man wenn die Adressen fix vorgegeben sind. Variable Adressierung: jedem Steckplatz kann seine eigene Adresse zugeordnet werden. Bei der absoluten Adressierung wird direkt die Adresse z.b. des Eingangs E 1.0 angegeben. In diesem Fall ist keine Symbolliste erforderlich, das Programm ist aber schlechter lesbar.

13 Die symbolische Adressierung ermöglicht es Ihnen, anstelle von Adressen mit Symbolen z.b. MOTOR_EIN zu arbeiten. Die Symbole für Eingänge, Ausgänge, Zeiten, Zähler, Merker und Bausteine sind in der Symbolliste (Zuordnungsliste) hinterlegt. In diesem Fall spricht man von einer globalen Symbolik, da ein symbolischer Zugriff aus allen Bausteinen heraus möglich ist. Die Adresse der meisten Operanden besteht aus zwei Teilen, die durch einen Punkt getrennt sind. Links vom Punkt steht die Byte-Adresse, rechts die Bit-Adresse.

14 3. Logische Verknüpfungen 3.1. UND, ODER, XOR 3.2. Speicherfunktion 3.3. Merker