Ausgewählte Themen der Automatisierungstechnik
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- Bärbel Hertz
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1 Ausgewählte Themen der Automatisierungstechnik Prof. Dr. A. Reiner Dipl. Ing. M. Schneider Hochschule Darmstadt University of Applied Sciences Fachbereich: Elektrotechnik und Informationstechnik
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3 Impressum Prof. Dr.-Ing. August Reiner Professor für Automatisierungstechnik im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der Hochschule Darmstadt. Schwerpunkte in Lehre und Forschung: - Steuerungstechnik mit dem Schwerpunkt Speicherprogrammierbare Steuerungen - Regelungstechnik - Automatisierungstechnische Systeme Dipl. Ing. Manfred Schneider Studiengangskoordinator und Dozent für Themen der Automatisierungstechnik. Tätigkeitsschwerpunkte: - Prozessautomatisierung im Anlagenbau (Metallbereich) - Simulation von Prozessabläufen - Sensorik
4 Impressum Reiner, August / Schneider, Manfred: Automatisierungstechnik: Ausgewählte Themen der Automatisierungstechnik, Schriften des Master of Science Studiums Elektrotechnik, ET-AAT-BA21, Koblenz Zentralstelle für Fernstudien an Fachhochschulen ZFH 1. Auflage 2009 Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere das Recht der Vervielfältigung und Verbreitung sowie der Übersetzung und des Nachdrucks, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung der Zentralstelle für Fernstudien an Fachhochschulen reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Text, Abbildung und Programme wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Das Weiterbildungsstudium Master of Science Studium Elektrotechnik und die Autorinnen und Autoren können jedoch für eventuell verbleibende fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische noch irgendeine andere Haftung übernehmen. Herausgeber: Master of Science Studium Elektrotechnik Prof. Dr. Bernhard Hoppe (Studienleitung) Fachbereich Elektro- und Informationstechnik Hochschule Darmstadt Schöfferstr Darmstadt Vertrieb: Zentralstelle für Fernstudien an Fachhochschulen - ZFH - Koblenz Leiter: Prof. Dr. Ralf Haderlein Geschäftsführung: Dr. Konrad Faber Anschrift: Zentralstelle für Fernstudien an Fachhochschulen - ZFH - Konrad-Zuse-Straße Koblenz Tel.:0261/ Titelgestaltung: exept DESIGN, Frankfurt am Main
5 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Einleitung Lernziele I III 1. Einführung Ziele der Automatisierungstechnik Historische Entwicklung der Automatisierungstechnik Automatisierungsaufgaben Modelle von Anlagen Struktur von Automatisierungssystemen Grund- und Verfahrensfließbild RI-Fließbild, Stellenplan Übungsaufgaben Durchführung von Automatisierungsprojekten Lastenheft Pflichtenheft Komponenten von Automatisierungssystemen Sensoren Aktoren Prozessautomatisierungsgeräte Allgemeine Anforderungen an Automatisierungssysteme IP-Schutzarten Elektromagnetische Störungen Sicherheit, Zuverlässigkeit Explosionsschutz Übungsaufgaben V
6 Inhaltsverzeichnis 5. Speicherprogrammierbare Steuerungen Wichtige Begriffe der Steuerungstechnik Aufbau und Wirkungsweise SPS Systemfamilie S7/M7/C SPS mit Sicherheitsfunktionen Übungsaufgaben Speicherprogrammierbare Steuerung S Zentralbaugruppe CPU 315-2DP Ein- und Ausgabebaugruppen Binäre Eingabebaugruppe SM 321, DI 16*DC 24V Binäre Ausgabebaugruppe SM 322, DO 16*DC 24V Analoge Eingabebaugruppe SM331, AI 2*12 Bit Analoge Ausgabebaugruppe SM332, AO 2*12 Bit Adressierung der Ein- und Ausgänge Übungsaufgaben SPS-Norm IEC Programmiersprachen für die S7-Familie Anweisungsliste (AWL) Kontaktplan (KOP) Funktionsplan (FUP) Programmstruktur Übungsaufgaben Basisoperationen bei STEP Schaltnetze Merker Flankenerkennung (Wischimpuls) Verknüpfungsergebnis (VKE) Speicherfunktionen Zeitglieder Einschaltverzögerung Speichernde Einschaltverzögerung
7 Inhaltsverzeichnis Ausschaltverzögerung Impuls Verlängerter Impuls Zähler Digitale Funktionen Lade- und Transferbefehle Vergleichsfunktionen Arithmetische Funktionen Mathematische Funktionen Sprungbefehle Übungsaufgaben Bausteintypen Funktionen Funktionsbausteine Organisationsbausteine Datenbausteine Übungsaufaben Ablaufsteuerung Einführung Ablaufsteuerung mit Verzweigung UND-Verzweigung ODER-Verzweigung Programmiersprache S7-SCL Indirekte Adressierung Speicherindirekte Adressierung Registerindirekte Adressierung Bereichsinterne Adressierung Bereichsübergreifende Adressierung Übungsaufgaben Literaturverzeichnis 261 Stichwortverzeichnis 264 VII
8 5. Speicherprogrammierbare Steuerungen Bei Automatisierungssystemen werden als Prozessautomatisierungsgeräte sehr oft Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS). eingesetzt, siehe Bild 2.3. Eine SPS ist generell ein digital rechnendes System unabhängig vom speziellen Typ. Die Programmierung erfolgt mit den SPS- Programmiersprachen. In der englischen Sprache werden diese Systeme als Programmable Logic Controllers (PLC) bezeichnet. Neben der SPS findet man in der Technik auch den Begriff Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS). Die klassischen binären Maschinensteuerungen sind mit Kontakten, Schütze, und Relais aufgebaut. Die logische Funktion dieser Steuerungen wird durch die Verdrahtung der Bauteile festgelegt. Das Verbindungsmuster der Verdrahtung läßt sich als das Programm dieser Steuerungen ansehen, daher der Name VPS. Natürlich lassen sich auch Halbleiterbauelemente verwenden, um eine VPS aufzubauen. Im Gegensatz zur VPS ist bei der SPS die logische Funktion über ein Softwareprogramm festgelegt, das sich im Programmspeicher befindet. SPS Typen Die am Markt angebotenen SPS-Typen unterscheiden sich in ihrer Hardware, Software und in ihrer Leistungsfähigkeit. Vom Hardware-Aufbau her unterscheidet man: a.) SPS als eigenständige Geräte, b.) PC basierte Realisierungen. Zu a.): Bei den klassischen Speicherprogrammierbaren Steuerungen handelt es sich um eigenständige Geräte. Die am Markt angebotenen Typen unterscheiden sich sehr weitgehend in ihrer Leistungsfähigkeit. Es gibt Kleinsteuerungen, die nur einige Relais bzw. Hilfsschütze ersetzen. Eine solche Steuerung (LOGO, Fa. Siemens) hat z.b. 6 binäre Eingänge und 4 binäre Ausgänge. Mit ihr lassen sich binäre Funktionen also Schaltnetze und Schaltwerke einschließlich Timer- Funktionen und Betriebsstundenzähler realisieren. Vom Preis her (ca ), lohnt sich der Einsatz einer Kleinsteuerung schon, wenn eine konventionelle Steuerung etwa 8 Relais umfassen würde. Auf der anderen Seite werden SPS angeboten, die einige hundert binäre Ein- 81
9 und Ausgänge haben können. Dazu kommen analoge Ein- und Ausgänge. Neben binären Steueraufgaben realisieren diese Geräte Regelfunktionen und mathematische Operationen wie Grundrechenarten und Wurzelrechnung. Dazu kommt, dass meist die Möglichkeit der Vernetzung von mehreren Geräten möglich ist. Größere Firmen decken die Marktanforderungen durch eine gestufte Produktpalette ab, die es dem Anwender ermöglicht ein optimales Preis- Leistungsverhältnis für seine Aufgabe zu erreichen. Die Fa. Siemens bietet die Systemfamilien S5 und S7 an. Die Baureihe S5 enthält die Typen S5-90U, S5-95U, S5-100U, S5-115U, S5-135U und S5-155U. Die neuere Baureihe S7 umfasst die Geräte S7-200, S7-300, S Systemfamilien werden ebenfalls angeboten von den Firmen Schneider Electric (ehemals AEG), Moeller, ABB, Bosch, Rockwell Automation ( Allen-Bradley ) und vielen mehr. Aktuelle Übersichten findet man in [19]. Zu b.): Neben den eigenständigen SPS-Geräten werden zunehmend PCs bzw. Industrie PCs (IPC) als Speicherprogrammierbare Steuerungen genutzt. Dabei werden am Markt zwei Lösungen angeboten:. Software-SPS. Slot-SPS. Bei der Software-SPS ist die SPS-Funktion im PC rein softwaremäßig realisiert. Zusätzlich wird der PC mit einer Einschubkarte erweitert, die die binären und analogen Ein- Ausgänge enthält. Alternativ oder zusätzlich kann die Einschubkarte einen Busanschluss besitzen. Bei der Slot- SPS wird der PC mit einer zusätzlichen Einschubkarte versehen, auf der sich die SPS Hardware befindet. Mit dem PC und der SPS- Editorsoftware wird wie bei der Geräte-SPS das Programm erstellt und anschließend in den Programmspeicher der Slot-SPS geladen. Hat die Slot- SPS-Einschubkarte eine eigene Spannungsversorgung, dann ist der SPS-Anteil des PCs auch noch dann funktionsfähig, wenn der PC ausgefallen bzw. abgestürzt ist. Gemeinsam ist bei allen SPS-Typen die Art der Programmierung. Es werden die gleichen Programmiersprachen benutzt.
10 Vorteile der eigenständigen SPS Geräte: Modulare Bauform Vorteile der PC-basierten SPS: Kompaktbauform Sehr rauhe Umgebungsbedingungen Offen in Hard- und Software Automatischer Wiederanlauf Integration von Steuerung Schneller Hochlauf Fehlersichere, hochverfügbare Systeme Echtzeit Visualisierung und Datenverarbeitung auf einer Plattform Sehr große Datenmengen Neueste PC-Trends Preiswerte Kleinst Steuerungen. PC-Know-how nutzbar Keine mechanisch bewegte Speichermedien wie Festplatten Internet-Anschluss für Fernwartung Bei der Software-SPS kann man keine sehr hohen Anforderungen an das Echtzeitverhalten, die Deterministik und die Verfügbarkeit stellen. Dies ist besonders bei einem normalen PC der Fall. Robuster und fehlersicherer sind Industrie-PCs, allerdings sind sie auch wesentlich teurer. Weltmarkt: Speicherprogrammierbare Steuerungen sind wichtige Komponenten bei der Prozessautomatisierung. Die Bilder 5.1 und 5.2 aus [20] zeigen die Entwicklung des Weltmarktes auf diesem Sektor. Besonders bei kleinen Steuerungen sind die Geräte-SPS-Lösungen sehr preisgünstig. Eine Kleinst-SPS kostet etwa bis Die Programmierung wird bei den Kleinst-SPSn über die Gerätetastatur mittels eines kleinen Bildschirms vorgenommen. Ansonsten wird als Programmiergerät in der Regel ein PC eingesetzt, der sich über eine serielle 83
11 Schnittstelle mit der SPS verbinden lässt. Die Programmiereditoren sind in der Regel einfach und übersichtlich gestaltet. Bild 5.1: Geschätzte Entwicklung des Weltmarktes für Prozessautomatisierung Bild 5.2: Geschätzte Entwicklung des Weltmarktes für Prozessautomatisierung aufgeteilt nach Regionen
12 5.1 Wichtige Begriffe der Steuerungstechnik Eine allgemeine Darstellung enthält das Normblatt DIN Zusätzlich sei auf [21] verwiesen. Steuerungseinrichtung Signal- Eingabe Signal Verarbeitung Signal- Ausgabe Steuer Strecke Taktgeber Rückmelde-Signal Bild 5.3: Begriffe der Steuerungstechnik Analoge Steuerung: Die Steuerungseinrichtung arbeitet überwiegend mit analogen Signalen. Die Signalverarbeitungs-Einheit besteht in erster Linie aus analogen Funktionsbausteinen. Digitale Steuerung: Die Steuerungseinrichtung arbeitet überwiegend mit digitalen Signalen. Die Signalverarbeitung erfolgt mit digitalen Funktionsbausteinen wie Zähler, Register, Speicher- und Rechenwerke. Die Informationen liegen in einem Binärcode als Worte vor (z.b. Dualcode). Binäre Steuerung: Die Steuerungseinrichtung verarbeitet binäre Eingangssignale zu binären Ausgangssignalen. Die Signale stellen keine digitalisierten Analogsignale dar, so dass keine Codeworte gebildet werden. Die Verknüpfung erfolgt mit Schaltnetzen, Schaltwerken und Zeitgliedern (Timern). Verknüpfungssteuerung: darstellt. Eine Binäre Steuerung, die ein Schaltnetz 85
13 Taktsynchrone Steuerung: Die Steuerungseinrichtung enthält einen Taktgeber. Die Signalverarbeitung wird von ihm getaktet (synchronisiert). Asynchrone Steuerung: Die Steuerungseinrichtung hat keinen Taktgeber. Die Ausgangssignale ändern sich abhängig vom Zeitpunkt der Eingangssignaländerung. Ablaufsteuerung: Eine Steuerung mit zwangsläufig schrittweisem Ablauf, bei der das Weiterschalten von einem Schritt zum nächsten Schritt abhängig von Weiterschaltbedingungen erfolgt. Zeitgeführte-Ablaufsteuerung: Ablaufsteuerung, bei der die Weiterschaltbedingungen nur von der Zeit abhängig sind, z.b. Ampel für Verkehrsregelung mit festem Zeittakt. Prozessgeführte Ablaufsteuerung: Ablaufsteuerung, bei der die Weiterschaltbedingungen von Zuständen der gesteuerten Anlage abhängig sind. 5.2 Aufbau und Wirkungsweise SPSn enthalten stets einen digitalen Rechner (Mikroprozessor). Die Funktion wird per Programm festgelegt. Im folgenden Bild 5.4 wird die grundsätzliche Arbeitsweise einer SPS aufgezeigt.
14 Bild 5.4: Prinzipielle Arbeitsweise einer SPS Es wird aus dem Programmspeicher eine Anweisung (Instruktion) nach der anderen ausgelesen und vom Steuerwerk ausgeführt. Nach der Abarbeitung der letzten, also der n. Anweisung wird automatisch wieder mit der ersten Anweisung von vorne angefangen. Grundsätzlich liegt die gleiche Arbeitsweise wie bei einem Mikroprozessorsystem vor. In der Praxis findet man in den meisten SPSn auch einen oder mehrere Mikroprozessoren. Trotzdem sind einig wesentliche Besonderheiten zu beachten. Bei der SPS wird jede Anweisung in einer bestimmten Zeit abgearbeitet. Hat ein Programm z.b Anweisungen, d.h. der Programmspeicher enthält 1K Worte, dann werden sich die unterschiedlichen Zeiten für die einzelnen Anweisungen etwa ausmitteln. Die gesamte Zeit für das einmalige Durchlaufen des Programmes wird als Zykluszeit bezeichnet. Vom Hersteller wird in 87
15 den Datenblättern z.b. angegeben: Zykluszeit/ 1K = 15ms; 1K sind ein Kilo-Worte, d.h Anweisungen. Vor Bearbeitung der ersten Anweisung werden die Eingabedaten, die an den physikalischen Eingängen anliegen, in ein Eingaberegister im Signalspeicherbereich (RAM) eingelesen. Man hat dann ein sogenanntes Prozessabbild der Eingänge. Bei der Bearbeitung der Anweisungen während eines Durchlaufes (Zyklus) werden die Werte des Prozessabbildes verwendet. Manche SPSn haben spezielle Befehle, mit denen man direkt auf die physikalischen Eingänge zugreifen kann. Die Ausgabedaten, die das Programm beim Durchlauf durch einen Zyklus berechnet, werden in einem Ausgaberegister im Signalspeicherbereich (RAM) zwischengespeichert, dem Prozessabbild der Ausgänge. Erst nach Abarbeitung des letzten Befehles, also am Ende des Zyklus wird das Prozessabbild auf die physikalischen Ausgänge übertragen. Anschließend beginnt nach dem Rücksprung automatisch ein neuer Zyklus. In der Regel enthalten die physikalischen Ausgänge Flipflops, die das Ausgangssignal bis zur nächsten Übertragung des Prozessabbildes der Ausgänge festhalten. Bei SPSn, die nur binäre Signale verarbeiten, ist die Anzahl der unterschiedlichen Anweisungen gering. Die Größenordnung beträgt etwa 20. Die speziellen Programmiersprachen sind daher einfach. Einfache SPSn enthalten keine Interrupt-Verarbeitung. Im ungünstigsten Fall dauert es zwei Zykluszeiten bis eine Änderung am Eingang erfasst und die Reaktion am Ausgang wirksam wird. Bild 5.5 zeigt einen Ablaufplan, der die prinzipielle Arbeitsweise einer SPS darstellt. Der Systemtest wird von dem SPS-Betriebssystem automatisch nach Einschalten der Spannungsversorgung durchgeführt. In der Regel wird mittels LEDs angezeigt, ob der Test erfolgreich war. Anschließend kann der Anwender mit zu programmierenden speziellen Softwarebausteinen Anfangswerte der Ausgänge und von Zwischenspeichergrößen (Merkern) setzen. Diese Softwarebausteine werden nur einmal nach dem Einschalten des Netzgerätes bzw. der SPS durchlaufen.
16 Die SPS tritt anschließend in den Zyklus ein. Der Reihe nach werden folgende Schritte durchlaufen: Eingangswerte in das Prozessabbild der Eingänge einlesen. Abarbeiten der Anweisungen des eigentlichen SPS-Programmes. Werte der Eingangsgrößen werden dem Prozessabbild der Eingänge entnommen. Berechnete Ausgangsgrößen werden im Prozessabbild der Ausgänge zwischengespeichert. Nach der letzten Anweisung des Programmes wird der Inhalt des Prozessabbildes der Ausgänge auf die physikalischen Ausgänge übertragen. Anschließend wird mittels Sicherheitsfunktionen die Arbeitsweise der SPS überprüft. Im einfachsten Fall ist dies die Watch Dog Funktion, die die Zykluszeit überprüft. Übersteigt die Zykluszeit einen vorgegebenen Wert, dann erscheint eine Fehlermeldung. Rücksprung, Start eines neuen Zyklus. 89
17 Bild 5.5: Prinzipielle Arbeitsweise einer SPS Bild 5.6 zeigt den hardware-orientierten Aufbau einer SPS als eigenständiges Gerät [22]. Bild 5.6: Hardwarestruktur einer SPS
18 Der Speicher besteht aus einem Festwertspeicher-Anteil mit dem Betriebssystem, dem Programmspeicher (RAM und/oder EPROM bzw. EAPROM) sowie dem Signalspeicher-Anteil (RAM). Der zentrale Prozessor der SPS ist heute in der Regel ein Mikroprozessor. Früher wurden meistens spezielle Bit-Prozessoren eingesetzt. Das sind Prozessor-Strukturen, bei denen einzelne Bits binär verarbeitet werden. Mit einem solchen Prozessor können logische Verknüpfungen z.b. Und-,Oder- Operationen zwischen einzelnen Bits vorgenommen werden. Dazu kommen die üblichen Transfer- Operationen. Im Gegensatz zu den Bit Prozessoren werden die gängigen Mikroprozessoren als Word-Prozessoren bezeichnet. Alle 8-Bit-, 16-Bit- oder 32-Bit-Mikroprozessoren sind also Wordprozessoren. Bit-Prozessoren haben den Vorteil, dass sich mit ihnen Boolesche-Operationen schneller als mit Wordprozessoren durchführen lassen. Auf der anderen Seite sind sie für Zählaufgaben und die Verarbeitung von analogen Signalen in digitaler Form ungeeignet. Optimal ist, wenn SPSn sowohl einen Word- wie auch einen Bitprozessor enthalten. Dies ist bei Typen mittlerer und größerer Ausbaustufe teils gegeben. Zum Teil werden auch spezielle Mikroprozessoren eingesetzt, die zusätzliche Befehle für logische Operationen besitzen. Diese Prozessoren werden als Boolean Processor bezeichnet. Anspruchsvolle SPSn enthalten neben dem zentralen Prozessor noch weitere Prozessoren, z.b. Kommunikations-Prozessoren zur Ankopplung weiterer Systeme. Ebenso zur Realisierung schneller Zusatzfunktionen wie Zähler-, Timer-, Regler- und Positionieraufgaben. An die SPS können Programmier-Geräte angeschlossen werden. Am Markt werden spezielle Programmiergeräte angeboten. Am häufigsten werden jedoch PCs eingesetzt, die man mit der SPS-Editier-Software ausstattet. In der Regel werden die Programmiergeräte über die serielle Schnittstelle mit der SPS verbunden. Die Struktur einer Eingangsbaugruppe zeigt Bild 5.7. In der Regel werden Eingangsbaugruppen mit und ohne galvanische Trennung angeboten. Bild 5.8 stellt die Struktur einer Ausgangsbaugruppe dar. Meist werden Halbleiter- oder Relais-Ausgänge angeboten. Die Halbleiterausgänge mit oder ohne galvanische Trennung. 91
19 Bild 5.7: Struktur einer SPS-Eingangsbaugruppe Bild 5.8: Struktur einer SPS-Ausgabebaugruppe
20 Vergleich VPS SPS a.) Vorteile einer SPS Hardware-Aufbau ist unabhängig von spezieller Steueraufgabe, daher wenig Hardware-Entwicklung und einfache Lagerhaltung. Leichte Veränderbarkeit der Programme während der Entwicklungsund Testphase. Einfache Änderung des Programmes bei sich ändernden Betriebsbedingungen. Kürzere Projektierungs- und Realisierungszeiten. Betriebssystem-Programme für Test, Simulation und Dokumentation erleichtern Test, Inbetriebnahme und Wartung. Über Telefon- oder Internetanschluss heute vielfach Fernüberwachung möglich. Bei modularer Bauweise oder PC-Realisierung und/oder Feldbus- Anschluss Steuerung leicht erweiterbar. Kompakt im Vergleich zu Relaissteuerungen. Teils preisgünstiger als VPS-Lösungen, besonders bei kleinen Stückzahlen. b.) Vorteile einer VPS Prinzipiell kürzere Reaktionszeiten (Signallaufzeiten), da oft parallele Signalverarbeitung. Zum Teil größere Störsicherheit, z.b. bei Relaisschaltungen. Kein Programmiergerät erforderlich Bei großen Stückzahlen oft preisgünstiger. Halbleiterlösung evtl. geringerer Platzbedarf. 93
21 c.) Kostenvergleich Ob eine SPS kostengünstiger ist als eine VPS hängt im allgemeinen von der Komplexität der Steuerung ab. Bei geringer Verarbeitungstiefe ist in der Regel eine VPS günstiger. Das folgende Diagramm Bild 5.9a zeigt die prinzipiellen Abhängigkeiten. d.) Zuverlässigkeit Bei einer VPS wächst mit der Komplexität die Anzahl der Bauelemente etwa linear an. Proportional dazu erhöht sich die Gesamtausfallrate. Bei einer SPS sind auf jeden Fall die zentralen Komponenten Steuerwerk, Taktsystem, Speichersystem, Bussystem usw. vorhanden. Fehler in den relativ komplexen zentralen Komponenten führen zu einem Ausfall der Steuerung. Dies führt zu der Aussage, dass SPSn eine geringere Zuverlässigkeit haben als VPSn. Dies trifft durchaus zu für eine Software-SPS mit einem normalen PC. Das folgende Bild 5.9b zeigt die Fehleraufteilung bei den SPSn, die als eigenständige SPSn oder als Slot-SPSn in PCs arbeiten. Aus der Skizze ist zu ersehen, dass nur 5% der Fehler auf internen Störungen der SPS beruhen. Der Hauptteil der Störungen tritt auf bei den externen Ein- und Ausgabeeinheiten, wie Messgeber, Stellgeräte, Verkabelungen etc. Dies bestätigt die Erfahrung, dass SPSn als eigenständige Geräte in der Regel sehr zuverlässig und ausfallsicher arbeiten.
22 Bild 5.9a: Kosten für SPS und VPS Bild 5.9b: Fehleraufteilung bei SPSn als eigenständige Geräte 5.3 SPS Systemfamilie S7/M7/C7 Die S7- Systemfamilie ist eine jüngere Entwicklung der Fa. Siemens, sie soll zunehmend die S5 Systemfamilie ersetzen. Bei der Software wurde weitgehend die neue Norm IEC berücksichtigt. Bild 5.10 zeigt Geräte der S7 Serie. 95
23 Bild 5.10: Systemfamilie SIMATIC S7/M7/C7, Fa. Siemens Speicherprogrammierbare Steuerungen
24 5.4 SPS mit Sicherheitsfunktionen Beim Einsatz einer normalen SPS kann man nicht vorhersagen welchen Zustand im Fehlerfall die Ausgangssignale annehmen. Bei manchen Steuerungsaufgaben muss beim Auftreten eines Fehlers die Anlage in einen sicheren Zustand fallen. Beispiele sind Brennersteuerungen oder Steuerungen die Einfluss auf Anlagenteile im Ex-Bereich haben. Der sichere Zustand ist in der Regel der abgeschaltete energielose Zustand. Es werden deshalb von verschiedenen Firmen SPSn angeboten, die durch eine erweiterte Hardware und Software sicherer arbeiten. In der Tabelle 5.1 werden mögliche Fehlerquellen und Maßnahmen zu ihrer Vermeidung vor Inbetriebnahme zusammengefasst [23]. Tabelle 5.2 zeigt Fehler und Maßnahmen zur Fehlerausschaltung im Betrieb. Tabelle 5.1: Fehlerquellen, Maßnahmen zur Fehlervermeidung vor Inbetriebnahme 97
25 Tabelle 5.2: Fehler und Gegenmaßnahmen während des Betriebes Bei einer sicheren SPS müssen die drei Hardwarekomponenten besondere Anforderungen erfüllen. o Eingangsbaugruppen, o Zentralbaugruppe und o Ausgangsbaugruppen Die Sicherheit der Eingangsbaugruppen kann verbessert werden durch spezielle Testroutinen sowie Mehrfachauslegung der Eingangsbaugruppen (Redundanz). Bei den Zentralbaugruppen wird bei hohen Sicherheitsansprüchen das Mikroprozessorsystem mehrfach ausgelegt. Die Rechenergebnisse werden verglichen. Fallen Sie unterschiedlich aus, wird durch geeignete Maßnahmen ein sicherer Zustand eingestellt. Ausgangsbaugruppen werden ebenfalls überwacht und teils mehrfach ausgelegt. Im einfachsten Fall wird das physikalische Ausgangssignal an einen SPS-Eingang gelegt, eingelesen und mit dem berechneten Ausgangssignal verglichen. Bild 5.11 zeigt eine SPS-Struktur mit Zweifachauslegung der drei Hardwarekomponenten [23]. Diese Struktur ist geeignet bei hohen Sicherheitsanforderungen AK6/SIL3, siehe Abschnitt
26 Bild 5.11: SPS-Struktur für hohe Sicherheit und Verfügbarkeit DPR: Dual Ported RAM, ZB1/2: Zentralbaugruppe 1/2 Sicherheitsgerichtete Systeme werden nach der Norm IEC61508 mit dem Symbol x00y gekennzeichnet; y gibt an wie viele redundante Einheiten vorhanden sind; x zeigt wie viele Einheiten notwendig sind, um die Funktionsfähigkeit sicherzustellen. Wenn das System eine Selbstdiagnose durchführt, wird noch der Buchstabe D angefügt. Beim Bild 5.11 wird die doppelte Eingangsbaugruppe durch die Abkürzung 1002D gekennzeichnet. Dies bedeutet, die Gruppe ist zweifach vorhanden und sie arbeitet sicher, solange eine Gruppe funktionsfähig ist. Der Buchstabe D zeigt an, dass die Baugruppen einen Selbsttest (Eigendiagnose) vornehmen. Bei der Zentralbaugruppe sind vier Mikroprozessorsysteme vorhanden, davon müssen zwei funktionsfähig sein, damit eine sichere Arbeitsweise gewährleistet ist. Dies wird gekennzeichnet durch Die Ausgangsbaugruppe ist ebenfalls doppelt ausgelegt und mit einer Eigendiagnose ausgestattet (1002D). 99
27 Bei sicherheitsgerichteten SPSn muss auch bei der Programmierung besonders sorgfältig vorgegangen werden. Bei der Fa. HIMA wird wie folgt vorgegangen [23]: 5.5 Übungsaufgaben Übungsaufgabe 5.1 Bei den PC-Realisierungen einer SPS gibt es die beiden Versionen Software- SPS und Slot-SPS. a.) Welche Vor- und Nachteile hat eine Slot-SPS gegenüber einer Software- SPS? b.) Ist eine Software-SPS generell echtzeitfähig? Übungsaufgabe 5.2 a.) Was versteht man unter dem Prozessabbild der Eingänge und dem Prozessabbild der Ausgänge bei einer SPS? b.) Manche SPSn besitzen einen Wortprozessor und einen Bitprozessor. Welche Vorteile bringt diese Struktur? c.) Wodurch wird die Zykluszeit einer SPS bestimmt?
28 d.) Bei einer SPS wird ein binäres Eingangssignal geändert. Wie lange dauert es maximal bis sich diese Änderung bei den Ausgangssignalen auswirkt? Übungsaufgabe 5.3 Bei einer sicherheitsorientierten SPS wird die binäre Eingabebaugruppe mit dem Symbol 1002 gekennzeichnet. Welche Information können Sie dieser Bezeichnung entnehmen? 101
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