1.5 Grundwissen SPS-Technik Quelle Einzelne Passagen wurden unter Nutzung von Wikipedia erarbeitet -> http//de.wikipedia.org/wiki/speicherprogrammierbare _Steuerung 1.5.1 Historie SPS steht für Speicherprogrammierbare Steuerung (engl. Programmable Logic Controller PLC). Mit der Betonung der Programmierbarkeit und der Ablage eines Programms in einem (Programm-) Speicher werden die Hauptmerkmale der Technik bereits im Namen festgeschrieben Die Steuerungen selbst sind flexibel und universell für verschiedendste Aufgaben einzusetzen, die aktuelle Funktion selbst wird mit einem Programm festgelegt. Der Part Steuerung im Namen besagt nicht, dass diese Technik keine Regelungsaufgaben übernehmen kann. SPS ist die dominierende Automatisierungstechnik für breiteste Aufgaben der Steuerung und Regelung außerhalb der speziellen CNC- und Roboterwelt, wobei die Grenzen zunehmend fließend sind. Die erste Speicherprogrammierbare Steuerung wurde 1970 in Chicago für eine Werkzeugmaschine vorgestellt. 1973 erschienen erste Applikationen in der BRD. Im Zeitraum 1975 bis 1985, spätestens bis 1990 vollzog sich der grundsätzliche Übergang von den verbindungsprogrammierten Steuerungen (VPS) mit Relais und Schützen und danach auch von festverdrahteter Logik hin zu den speicherprogrammierten Steuerungen. 1983 erschien mit DIN 19239 SPS-Programmierung die erste Norm zu speziellen Problemen der SPS, 1993 wurde diese Norm durch IEC 61131-3 ersetzt. Die Vorteile der SPS-Technik wie Flexibilität, geringerer Platzbedarf, höhere Zuverlässigkeit, geringere Kosten, Möglichkeit der Vernetzung mit anderen Systemen, Möglichkeiten für Fehlerdiagnose und Fernwartung der Programme und hauptsächlich der schnelle Funktionswechsel durch Programmänderung setzten sich durch. Verbindungsprogrammierte Steuerungen müssen bei jeder Änderung im Steuerungsablauf hardwareseitig umgebaut werden, was heute nicht mehr konkurrenzfähig ist. Auf der Aktorseite sind bei der Anschaltung von Schützen Restfelder verdrahteter Steuerungen zumeist im Rahmen von Hilfskontakt-Sätzen erhalten geblieben. Weiter gibt es sicherheitsrelevante Fälle, welche Festverdrahtung verlangen und bei denen es sogar verboten ist, sie per Standard-SPS zu steuern. Für solche Zwecke können heute allerdings spezielle fehlersichere SPS verwendet werden. Das bekannteste und weitverbreiteste SPS-System ist Simatic S7 der Siemens AG mit den Baureihen S7-200 mit Software Step7MicroWin und S7-300 sowie S7-400 mit Software Step7. Daneben gibt es eine Vielzahl anderer Hersteller. Die Systeme sind zueinander nicht kompatibel! Kompatibilität entsteht, wenn sich Hersteller bei der Entwicklung von Programmiersystemen hardwareunabhängig an die Norm IEC 61131-3 halten. Mit derartigen Systemen entstehen Programme, die auf verschiedensten Hardware-Plattformen laufen ( z.b. CoDeSys Automation Alliance). Von großer Bedeutung ist der fortwährende und schrittweise Weg der Steuerungstechnik hin zur Datenverarbeitung! Nachfolgende Aussagen bis Seite 1.5-8 folgen im wesentlichen den Ausführungen von Karl Pusch in Grundkurs IEC 1131 Vogel Fachbuch 2005 Durch die Entwicklung der Rechentechnik (umgangssprachlich "PC-Technik", obwohl nicht alle Rechner in der Automatisierungstechnik als "Personal Computer" fungieren) sind zunehmend Automatisierungslösungen am Markt, die sich deutlich von den klassischen SPS der achtziger und neunziger Jahre unterscheiden. Der Automatisierungstechniker wird zunehmend mit Begriffen und Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-1
Methoden konfrontiert, die ursprünglich Fachthemen der Informatiker und PC-Spezialisten waren. Die Entwicklung von der klassischen Steuerungstechnik zu Systemen der Datenverarbeitung ist eine deutliche Tendenz der Automatisierungstechnik (Bild 1.5-1). Sie vollzieht sich direkt proportional zur Entwicklung der PC-Technik. Die nachfolgenden Ausführungen fassen Aussagen von Karl Pusch zusammen und versuchen, die Chronologie die Entwicklungen und ihre Folgen für die Automatisierungstechnik nachzuvollziehen. 1970 1973 1980 1990 2000 2010 CPU E E A A A 1 Visualisierung CPU E A 2 BA E A A BA E A A CPU E A BA Busanschaltung Feldbus Visualisierung Industrie-PC Slot im IPC BA E A A CPU E A nur für Programmierung 3 Bild 1.5-1 Historie und Übersicht über SPS-Technik Bei der Bewertung von Automatisierungssystemen ist es nach K. Pusch sinnvoll, Hardware, Infrastruktursoftware und Anwendersoftware zu unterscheiden. Wie nachfolgend erläutert wird, gehören..zur Hardware bekannterweise alle Prozessoren der Systeme (insbesondere CPU und Coprozessoren) und sämtliche zugehörigen Anschaltbaugruppen für Aktoren, Sensoren und Feldbussysteme.zur Infrastruktursoftware firmenspezifische Betriebssysteme von Prozessoren und Coprozessoren von SPS oder SteuerungsPC, Interpreter- und/oder Compilerprogramme, Softwarewerkzeuge zum Konfigurieren der HW und für Diagnose sowie Programmierwerkzeuge für die Steuerungssoftware inkl. eines evtl. Compilers. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-2
1 verstärkt ab 1980 SPS als Zentralgerät im Schaltschrank (Bild 1.5-2) Die SPS-Technik erfuhr ihre Markteinführung in den 70er und 80er Jahren mit ersten programmierbaren Steuerungen, die in klassischer Denkweise als Zentralsteuerung in Schaltschränke eingebaut wurden. Karl Pusch bezeichnet diese sinnvoll als "Schaltschrank-SPS mit Parallelverdrahtung"und verweist auf den typischen Schutzgrad von IP20 für diese elektronischen Baugruppen. Hierbei handelt es sich stets um autarke Computersysteme mit mindestens einem Prozessor und einem eigenem Betriebssystem. Über den sogenannten "Rückwandbus" werden vielfältige E/A- Baugruppen angeschaltet. Alle Sensoren und Aktoren werden in Parallelverdrahtung an diese Zentralsteuerungen herangeführt, wobei zumeist umfangreiche Leitungsbündel entstanden. Im Laufe der 80er Jahre erfolgte vor allem eine fortwährende Erweiterung von Funktionen und Leistung der Prozessoren in den SPS (überwiegend CPU genannt). Bei Hardware und Infrastruktursoftware bestehen bis heute erhebliche firmenspezifische Unterschiede. Diese haben mehr oder weniger ihre Berechtigung, um die Vielzahl der Anwenderwünsche abzudecken, mehr aber noch aus "marktpolitischen Gründen" Anwendersoftware Die firmenspezifischen Unterschiede bei der Anwendersoftware bedingten ein unproduktives "Kauderwelsch in Sprachen und Dialekten", was dringend geordnet werden musste! Die Bemühungen der PLCopen (siehe Kap. 3) führten zur Norm IEC 61131-3. Sie unternimmt den Versuch, zu einheitlichen Sprachen uund Programmstrukturen zu gelangen und unterstützt dies mit Programmbibliotheken. Programmiergerät oder PC CPU Rückwandbus Programmiersoftware Anwenderprogramm per Download über Interpreter Anwendungsprogramm SPS- Betriebssystem IN OUT IN/OUT PC oder Panel Visualisierungssoftware Spezielle Programmierschnittstelle Wortprozessor und / oder Bitprozessor Parallelverdrahtung zum Prozess Bild 1.5-2 Struktur klassischer SPS mit Visualisierungsmöglichkeit Kennzeichnend für die erste Generationen von SPS sind Interpreter für den "zeilenweisen" Eintrag der Anwenderprogramme in den Programmspeicher. Der Interpreter ist Bestandteil des Betriebssystems der SPS. Er setzt den Quellcode des Anwenderprogramms um in den Maschinencode des SPS-Prozessors. Interpreter sind langsamer als Compiler. Sie gestatten eine einfache Kommunikation zwischen SPS und Programmiergerät. Folge Man kann ein Programm von der SPS herunterladen und lesen, jedoch ohne zusätzliche Informationen wie Symbolik und Kommentare! -> M&T Computerlexikon 1998 "Ein Interpreter ist ein Programm, das den Quellcode einer höheren Programmiersprache Anweisung für Anweisung in Maschinencode übersetzt. Ein großer Nachteil des Interpreter ist, dass Schleifen bei jeder Iteration von neuem übersetzt werden müssen. Eine der bekanntesten interpretierten Sprachen ist Basic." Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-3
2 etwa ab 1995 SPS mit Feldbus (Bild 1.5-3) Ab den 90er Jahren wurde Automatisierungstechnik zunehmend dezentral strukturiert, um die fehleranfällige Parallelverdrahtung zu vermeiden. Aktoren und Sensoren werden an einzelne, über die Anlage verteilte Busmodule angeschaltet, die über Feldbussysteme mit dem Busmaster vernetzt werden. Zunehmend mehr Baugruppen werden dazu in Schutzgard IP 65 oder 54 ausgeführt. Typisch begann diese Entwicklung in Automobilindustrie um 1995 (mit Feldbus Interbus-S). Die Umgehung der Parallelverdrahtung war nur ein erster von vielen weiteren Gründen für die Dezentralisierung der Automatisierungstechnik. Hinzu kam die Verteilung der "Intelligenz", indem programmierbare Automatisierungsgeräte mit CPU selbst vernetzt wurden. Die Tendenz setzt sich bis heute fort und gipfelt z.b. im System PROFINET CbA mit dem Einsatz wiederverwendbarer Automatisierungsmodule. Die Busanschaltbaugruppen (Busmaster) organisieren den Datenaustausch über das gemeinsame Busmedium, überwachen und verwalten den Feldbus und gestatten die Feldbus-Diagnose. Dabei entwickelten sich unterschiedliche Organisationsprinzipien, von denen die Master-Slave- Kommunikation eine der bekanntesten ist. Zu den klassischen Aufgaben der Steuerungen kommen in dieser Zeit zunehmend Funktionen der Verarbeitung von Prozessdaten, der Visualisierung der Steuerungen und Prozesse sowie der Diagnose hinzu. Die Datenmenge nahm kontinuierlich zu. Die Bemühungen um Internationale Standards werden forciert. Die Richtlinien der PLCopen und die Norm IEC 1131 sind folgerichtig an Denkweisen der Datenverarbeitung angelehnt. Programmiergerät oder PC Programmiersoftware CPU SPS- Betriebssystem Rückwandbus IN OUT CP Variante 1 externe Busanschaltbaugruppe (CP "Kommunikationsbaugruppe") Anwendungsprogramm Busmodul IN PC oder Panel Visualisierungssoftware Programmierschnittstelle Wortprozessor und / oder Bitprozessor Busmaster mit Busschnittstelle Variante 2 integrierte Busanschaltbaugruppe Feldbus Busmodul OUT Busmodul IN Busmodul OUT Bild 1.5-3 SPS mit Feldbus für Ein- und Ausgabe der Prozesssignale 3 zusätzlich und verstärkt ab 2000 IPC-gestütze SPS, SPS-Kartenbaugruppen, Soft-SPS Seit der Jahrhundertwende erfolgen mit dem Einsatz von IndustriePC, neueren ethernetbasierten Feldbussystemen und neuen Programmiersprachen weitere Schritte in Richtung Datenverarbeitung. Neben leistungsfähigen Prozessoren und schnellen Steuerungsprogrammen geht es zunehmend auch um komfortable Bedienung und Visualisierung und um die Erfassung sowie Verwaltung größerer Datenmengen, welche auch mit anderen Softwarewerkzeugen wie zum Beispiel Excel weiterbearbeitet werden sollen. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-4
Die Basis dafür waren und sind derzeit auch weiterhin häufig IBM-kompatible PC und Windowsprogramme. Als Folge entstand der Wunsch, nicht nur die E/A-Baugruppen "aus dem Schaltschrank herauszunehmen", sondern auch die CPU, und diese stattdessen als SPS-Slotkarte in einen PC zu integrieren. Slot bezeichnet einen Steckplatz zur Erweiterung eines elektronischen Geräts, insbesondere eines Personal Computers Auf einer SPS-Kartenbaugruppe (Bild 1.5-4) befinden sich typisch ein Coprozessor mit eigenem Betriebssystem (zumeist multitaskingfähiges Echtzeitbetriebssystem) und der Programmspeicher ein Busmaster-Prozessor für Verwaltung des Busbetriebs und seine Diagnose Ein Feldbus ist unverzichtbar, weil ein IPC überwiegend keine E /A-Baugruppen hat ein Multiport-Memory RAM (MPM) als Zwischenlager und zentrale Verteilerstelle für alle Daten Der Coprozessor legt die Daten aus der Berechnung des Steuerungsprogramms im MPM ab. Busmaster und Prozessvisualisierung greifen auf diese Daten zu. Der Busmaster legt E-Daten aus dem Feld im MPM ab und legt A-Daten von dort auf den Bus. Da die Visualisierung auf den MPM zugreift, stehen ihr auch diese Daten zur Verfügung. SPS-Kartenbaugruppe (SPS-KBG) Speicher für Steuerungsprogramm Speicher für Projektdaten Echtzeit- Betriebssystem Multiport-Memory-RAM (MPM) zusätzliche Schnittstellen z.b. RS232 Co-Prozessor PLC Treiber Busmaster mit Busschnittstelle Busmodul IN Busmodul OUT PC-Prozessor Die Anschaltung aller E/A erfolgt allein über einen Feldbus Betriebssystem Programmier- Software Visualisierungs- Software Allgemeine Software Host Rechner Beispiel für Host IndustriePC Microbox MM420 der Siemens AG Bildquelle www.automation.siemens.com/industrial-pc Bild 1.5-4 SPS-Kartenbaugruppe ("Slot-SPS") Als Host (engl. Wirt, Gastgeber) wird ein in einem Rechnernetz eingebundenes Betriebssystem bezeichnet, welches Server oder Clients beherbergt. Der Host verfügt über genügend Rechenleistung und Speicherkapazität, um diese anderen Rechnern im Netzwerk zur Verfügung zu stellen. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-5
Der Host-PC beherbergt die SPS-Karte. Auch er kann Daten in den MPM schreiben und von dort lesen. Das Steuerungsprogramm kann auf zwei Wegen zur SPS-Karte gelangen 1. über eine zusätzliche serielle Schnittstelle auf der Karte von einem weiteren Rechner. Über diese Schnittstelle kann das Programm auch getestet werden. 2. Vom Host PC, wo es mit einer Steuerungssoftware geschrieben und dann kompiliert wird über entsprechende Treiber. Der Hostrechner ist selten ein Standard- (Büro-) PC, sondern zumeist ein hinsichtlich mechanischer Robustheit, Schutzgrad und Zuverlässigkeit industrietauglich gestalteter Rechner. Laufwerke und Festplatten werden durch Festwertspeicher ohne mechanische Bauteile ersetzt. Ein Beispiel ist die lüfterlose Microbox MM420 der Siemens AG. Bei den PC-gestützten SPS werden in der Regel Compilersprachen wie C, C++,Visual Basic sowie Sprachen nach IEC 61131 eingesetzt. Hier schreibt der Programmierer wiederum einen Quellcode. Durch Übersetzen = Compilieren entsteht der Maschinencode. Im Übersetzungslauf wird das Programm zumeist optimiert (was bei einem Interpreter nicht der Fall ist). Ein compiliertes Laufzeitprogramm ist deshalb schneller als ein Interpreterprogramm, lässt sich aber aus der SPS nicht (ohne weiteres) zurück übersetzen. Deshalb wird heute das komplette Steuerprojekt komprimiert in einem Flash-EPROM auf der Slotkarte abgelegt und steht dort als Quelltext und als Bootprojekt zur Verfügung. Ein Compiler ist ein Übersetzungsprogramm, welches Texte einer höheren Programmiersprache in die Maschinensprache eines Zielprozessors übersetzt, wo es zur Laufzeit des Prozessors bearbeitet wird. Das Compilieren erfolgt zumeist in zwei oder drei Stufen, zwischen denen Phasen der Optimierung liegen. Will man in solchen Programmen Fehler suchen, werden Debugger benötigt. Zur Fehlersuche wird das Programm im Debugger simuliert, und es kann dort jederzeit angehalten werden. Dazu stoppt der Debugger den Prozessor, wodurch alle Register eingesehen werden können. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-6
Die Norm IEC 61131 trägt mit der Definition von Konfiguration, Ressource und Task der Entwicklung zur PC-gestützten SPS-Technik Rechnung (Bild 1.5-5). Dabei bezeichnet man als Konfiguration Ressource Task den Host-PC mit SPS-Kartenbaugruppen die einzelne SPS-Kartenbaugruppe einen Teil des Anwenderprogramms, welches eine Taskverwaltung zu einer bestimmten Zeit zum Laufzeitprogramm macht. Die Task können von Ereignissen im Prozess, von vorgegebenen Zeiten oder aber zeitzyklisch aufgerufen werden. SPS-KBG n SPS-KBG 3 SPS-KBG 2 MPM Steuerungsprogram Speicher für MPM Co-Prozessor Steuerungsprogramm Busmaster 2 mit MPM PLC Programm = Busschnittstelle Task 2 Co-Prozessor Busmaster mit PLC Busschnittstelle Co-Prozessor PLC Busmaster mit Busschnittstelle Task Busmodul OUT Busmodul IN Task- Verwaltung MPM Speicher für Steuerungsprogramm 1 Programm = Task 1 SPS-KBG 1 Busmodul OUT Co-Prozessor PLC Busmaster mit Busschnittstelle Busmodul IN Treiber Ressource PC-Prozessor Konfiguration Betriebssystem Programmier- Software Visualisierungs- Software Allgemeine Software Host Rechner Beispiel für Host IndustriePC Microbox MM420 der Siemens AG Bildquelle www.automation.siemens.com/industrial-pc Bild 1.5-5 Mehrere SPS-Kartenbaugruppen auf einem Host PC und Erklärung der Begriffe Konfiguration, Ressource und Task Heute stehen darüber hinaus Soft-SPS zur Verfügung. Die weitere Entwicklung der PC-Technik stellt fortwährend schnellere und damit "echtzeitfähige" Betriebssysteme und leistungsfähigere Prozessoren zur Verfügung. Ist die Leistungsfähigkeit des PC-Prozessors groß genug, kann auf den Coprozessor und damit auf eine spezielle SPS-Kartenbaugruppe verzichtet werden. Die Erstellung und Abarbeitung des Steuerungsprogramms übernimmt der PC-Prozessor selbst. Erforderlich bleibt lediglich eine Busmaster-Kartenbaugruppe (Bild 1.5-6). Der Name Soft-SPS besagt, dass die SPS-Funktionalität allein durch Software gewährleistet wird. Ein gewisser Schwachpunkt hinsichtlich Industrietauglichkeit kann dabei das Betriebssystem des Rechners (z.b. Microsoft Windows) spielen, so dass klassische SPS mit speziellem Prozessor und sogar Interpreterprogrammen durchaus weiterhin ihre Einsatzfälle finden werden. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-7
Selbstverständlich können bei einer Soft-SPS die Ein- und Ausgangssignale nur über ein Bussystem angeschaltet werden. Bild 1.5-6 zeigt die Struktur einer Soft-SPS mit unterschiedlichen Bussystemen. Für jede Teilaufgabe kann hier ein auf die Aufgabe optimierter Feldbus genutzt werden. Device- Treiber Feldbus Anschaltung n Dual Port Memory MPM Busmaster mit Busschnittstelle Busmodul OUT Busmodul IN SPSprogramm in Task gegliedert (Runtime- Programm) Device- Treiber Device- Treiber Device- Treiber Feldbus Anschaltung 3 Dual Port Memory MPM PC-Prozessor Busmaster mit Busschnittstelle Feldbus Anschaltung 2 Dual Port Memory MPM Busmaster mit Busschnittstelle Feldbus Anschaltung 1 Dual Port Memory Busmaster mit Busschnittstelle Busmodul OUT Busmodul IN Busmodul OUT Busmodul IN Feldbussysteme z.b. CAN z.b. Profibus-DP z.b. Interbus-S z.b. Profinet IO oder CbA z.b. Ethercat Betriebssystem Programmier- Software Allgemeine Software Visualisierungs- Software Schwachpunkt für Industriesysteme??? Host Rechner Bild 1.5-6 Soft-SPS mit mehreren bei Bedarf auch unterschiedlichen - Feldbusanschaltungen 1.5.2 Grundsätzliche Struktur und Baugruppen klassischer SPS-Technik Die Struktur der SPS-Technik kann am besten mit der grundlegenden Lösung von Automatisierungsaufgaben demonstriert werden. Diese besteht im Einlesen von Signalen aus dem zu automatisierenden Prozess, der rechentechnischen Signalverarbeitung in einer CPU und dem Ausgeben von Signalen an die Stellorgane des Prozesses. Bild 1.5 7 zeigt, dass eine SPS in minimaler Ausführung immer aus Eingabeeinheit, Verarbeitungseinheit und Ausgabeeinheit besteht (EVA -Prinzip). Vielfältige Zusatzbaugruppen sind möglich. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-8
Eingangssignale Sensorik Messen und Umformen Signalerfassung Informationsverarbeitung Informationsgewinnung Steuern / Regeln Bedien- und Meldesysteme Automatisierungssystem Ausgangssignale Aktorik Schalten/Stellen/ Antreiben Verwertung von Informationen Kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Prozess (z.b. Stoffwandlung / Energiewandlung / Teilefertigung) Die grundsätzliche Aufgabe der Automatisierungstechnik schlägt sich nieder im grundsätzlichen Aufbau der SPS-Technik Stromversorgung Zentraleinheit CPU E / A Baugruppen (zentrale Peripherie) Anschaltung anderer Systeme x Minimalsystem Human Machine Interface (HMI) Eingangs- Ausgangs- Signale Anschaltung E / A Baugruppen (dezentrale Peripherie) Bild 1.5. 7 Grundsätzliche Struktur der Automatisierungstechnik mit SPS Eingangs- Ausgangs- Signale Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-9
Typische Eigenschaften der Hardware Stromversorgung Versorgungsspannung von SPS-Systemen heute überwiegend DC 24 V. Daraus werden für die CPU intern DC 5V bereitgestellt. Für analoge Signale auch 10V... +10V gebräuchlich Zentraleinheit (CPU) Die CPU beinhaltet den Prozessor und die erforderlichen internen und / oder externe Speicher für Firmware, Anwenderprogramm sowie remanente und nichtremanente Daten. Prozessor und Firmware sind auf ein Echtzeitbetriebssystem für Logik und Arithmetik optimiert, d.h. auf schnelle Bit-, Byte- und Wortverarbeitung, wobei die vorzugsweise Adressierung von Byte oder Wort bei unterschiedlichen SPS auch unterschiedlich sein kann. Für Standard-Applikationen stehen eine Vielzahl von Software-Bibliotheken zur Verfügung. Aktuelle CPU verfügen über Schnittstellen für gängige Bussysteme. Digitale Eingangsbaugruppen Signalpegel überwiegend DC 24V, wobei der Bereich 35...+4,5V als 0-Signal und +13...35V als 1-Signal gewertet wird. Eingänge werden überwiegend über Optokoppler galvanisch vom Prozess entkoppelt und mittels Tiefpässen entstört. Beim Anschalten von Signalgebern ist zu beachten, dass mehrere Eingänge häufig eine gemeinsame Wurzel haben, d.h. gemeinsames Massepotential. Digitale Ausgangs- Kontaktlose Ausgänge mit Transistoren 24V typisch 500mA, baugruppen mit Triac 120.. 230V AC typisch 1A, Relaisausgänge typisch AC 230V 2 A Grundsätzlich ist die Versorgungsspannung an die Baugruppen heranzuführen, teilweise auch über Baugruppensicherungen. Bei kontaktlosen Ausgängen ist die Notwendigkeit einer galvanischer Trennung besonders zu prüfen! Analoge Eingangsbaugruppen Analoge Ausgangsbaugruppen Sie enthalten Analog-Digital-Wandler (ADU) mit unterschiedlicher Auflösung (8, 10, 12, oder 15 Bit). Jedem Analogsignal wird ein Eingangswort zugeordnet, in welches der digitale Wert geschrieben wird. Bit 15 ist dem Vorzeichen vorbehalten. Die Wandlung erfolgt zyklisch. Typische Wandlungszeit <100 ms. Die Kanäle werden per Software, teilweise auch noch mit Hardwareeinstellungen parametriert. Typische Signale 4.. 20 ma, -10..+10V, 0.. 10V, Pt100 - und Thermoelement- Eingänge Manche Baugruppen mit Störfrequenzunterdrückung. Sie enthalten Digital-Analog-Umsetzer (DAU). Diese wandeln digitale Ausgangsworte in genormte analoge Signale wie 4.. 20mA, 0..10V, -10..+10V Die Wandlung erfolgt zyklisch, Wandlungszeit typisch <100ms. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-10
1.5.3 Programmbearbeitung, Prozess-Abbilder und Mehrfachzuweisungen CPU Eingangs-KBG Ausgangs-KBG PAE Prozessabbild Eingänge PAA Prozessabbild Ausgänge Externer Programmund Daten-Speicher (EEPROM / Flash-ROM) Rechenwerk Adress- Zähler Akkumulator 1 Akkumulator 2 Akkumulator 3 Akkumulator 4 Interner Adress-, Steuerund Datenbus Programm- Speicher (RAM / EEPROM) Datenspeicher (RAM) Merkerbereich Timer Counter Datenbausteine Bei zyklischer Programmbearbeitung serielle Abarbeitung aller Programmanweisungen! Getrennte Bereiche bei Simatic S7 / Step7 PAE U E 2.2 = A 0.1 L EB10 T AB4 U M 40.0 = A 0.1 L DWB22 T AB4 PAA?? Mehrfachzuweisungen, d.h. das Syntax Step7 mehrfache Beschreiben von Ausgängen im PAA innerhalb eines Zyklus, führen zu Programmfehlern! Bild 1.5.-8 Schematische Darstellung wesentlicher Hardwarekomponenten einer SPS und Probleme der Mehrfachzuweisungen bei zyklischer Programmbearbeitung Hinsichtlich des Datenspeichers und der Programmsyntax orientiert sich die Darstellung an Simatic S7. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-11
SPS-Technik unterscheidet drei Formen der Bearbeitung des Anwenderprogramms. zyklische Programmbearbeitung (Bild 1.5-3) Standard, niedrigste Priorität, angewendet z.b. für Ablaufsteuerungen, Verriegelungen, Grenzwertüberwachungen, langsame Zähler, allgemeine Aufgaben Die zyklische Programmbearbeitung wird bei Step7 durch den Organisationsbaustein OB1 bewirkt, im System CoDeSys durch die Programmorganisationseinheit PLC_PRG. Der Standard-Zyklus einer SPS Einschalten der SPS CPU STOPP -> RUN Anlaufroutine z.b. Löschen nichtremanenter Daten und des PAA Starten der Zyklusüberwachungszeit Zeiten bearbeiten Einlesen aller Eingänge in das PAE 1 x pro Zyklus Zyklus Serielle Berarbeitung aller Anweisungen Die Ergebnisse werden in das PAA und in die Merker- und Datenbereiche geschrieben (nicht in die Ausgänge!) Schreiben des PAA in die Ausgangsbaugruppen 1 x pro Zyklus Kommunikation mit anderen Systemen und Programmiergeräten Bild 1.5-9 Schema des Zyklus einer SPS Die Zykluszeit der SPS ist die Zeit für die Abarbeitung eines Zyklus einschließlich aller Kommunikationsaufgaben. Sie ist abhängig von der Rechenzeit für das Programm, also abhängig von der Zahl der Anweisungen. Höherpriorisierte Task unterbrechen den Zyklus und verlängern damit die Zykluszeit. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-12
Für eine Ermittlung der Rechenzeit stellen die Hersteller Werte zur Verfügung z.b. CPU S7-317-2 DP/PN ca. 0,2µs für Wortbefehle, ca. 1 µs für Gleitpunktoperationen. oder CPU 214 für 1000 AWL-Befehle 0,8 ms Die Zykluszeit wird überwacht. Überschreitet sie eine einstellbare Zyklusüberwachungszeit (typisch 150 ms), so geht die CPU in Stopp. Die Reaktionszeit ist die Zeitdauer zwischen der Änderung eines Eingangssignals und der Reaktion durch Änderung des Ausgangssignals. höher priorisierter Task verlängert die Zykluszeit Einlesen Einlesen Einlesen Einlesen Ereignis Bearbeitung Bearbeitung Bear- Task -beitung Bearbeitung Ausgeben Ausgeben Ausgeben Reaktion Reaktionszeit Die Reaktionszeit auf ein binäres Ereignis ist im ungünstigsten Fall die Summe aus der doppelten maximal zu erwartenden Zykluszeit (worst case), der Verzögerungszeit des Binäreingangs (typisch 2-5 ms) und der Verzögerung des Aktors (z.b. Magnetventil typisch 20-30 ms). Reaktionszeit 2 x max.zykluszeit + Verzögerungszeit d. Eingangs + Reaktionszeit d. Ausgangs Vorteile der zyklischen Programmbearbeitung Die Rechenleistungen der CPU werden immer genutzt. Es sind keine Berechnungen der Zykluszeiten erforderlich. Nachteile der zyklischen Programmbearbeitung Weil die Rechenzeit schwanken kann, ist das System streng genommen nicht deterministisch! Zeitkritische Programmteile werden durch Programmänderungen beeinflusst, auch wenn dort selbst keine Veränderungen vorgenommen werden. Die serielle Bearbeitung aller Anweisungen hat Konsequenzen Das Programm wird grundsätzlich nur mit Werten aus dem Prozessabbild der Eingänge berechnet. Andernfalls könnten die Eingangssignale während des Zyklus mit unterschiedlichen Werten in die Programmbearbeitung eingehen! Ausgangssignale dürfen im Programm nicht mehrmals geschrieben werden, weil zuvor berechnete Werte im PAA durch nachfolgende Werte überschrieben werden. Die gefürchteten Mehrfachzuweisungen führen immer zu Programmfehlern! Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-13
zeitgesteuerte (zeitzyklische) Programmbearbeitung mittlere Priorität, angewendet z.b. für regelungstechnische Funktionen, zeitkritische Binärverarbeitungen Die zeitgesteuerte Programmbearbeitung wird bei Step7 durch Organisationsbausteine für Uhrzeit- und Weckalarme (z.b. OB10, OB35) bewirkt, im System CoDeSys durch zeitgesteuerte Task. Bei der zeitgesteuerten Programmabarbeitung muss die Zykluszeit bestimmt werden, damit zeitgesteuerte Programmaufrufe und Rechenzeiten nicht kollidieren. Die Rechenzeit sollte maximal 70-80 % der zugewiesenen Zykluszeit betragen. Werden mehrere höher priorisierten Task s aufgerufen, sollte die Rechenzeitreserve der zeitzyklischen Task entsprechend erhöht werden. Bei regelungstechnischen Anwendungen sollte die Zykluszeit z.b. mindestens um den Faktor 5 kleiner sein als die Summenzeitkonstante des geschlossenen Regelkreises. ereignisgesteuerte Programmbearbeitung höchste Priorität, vergleichbar mit Interrupt, angewendet z.b. für ausgewählte, besonders zeitkritische Prozesse. Für die Auswertung von Ereignissen des Prozesses benötigt man spezielle interruptfähige Binäreingangskarten (höherer Preis!). Die (interne) ereignisgesteuerte Programmbearbeitung wird bei Step7 durch Fehlerbausteine (z.b. OB86 Ausfall eines DP-Slave) bewirkt, im System CoDeSys durch ereignisgesteuertetask. Multitasking Im Zusammenhang mit der Bearbeitung umfangreicher Programme und bei zeit- und ereignisgesteuerter Programmbearbeitung werden Programmteile als Task bezeichnet (Task engl. für Aufgabe, Prozess, in Anspruch nehmen). Ein Task ist der aktuell wirksame Teil des Anwenderprogramms zur Laufzeit, organisiert z.b. durch Zeitschlitze oder Prioritäten. Programmsteuerung durch Task stellt zumeist eine Alternative zur zyklischen Programmbearbeitung dar. Einige Task's vom Betriebssystem können von der Anwendersoftware nicht beeinflusst werden (Funktionen des Betriebssystems z.b. Kommunikation mit der Programmierschnittstelle oder die Task des Windows-Betriebssystems. Es ist zu beachten, dass bei Zugriff auf die Daten einer anderen Task u.u. nicht alle Daten aus dem gleichen Zyklus stammen. Wird das Anwenderprogramm in mehrere Task unterteilt, dann muss sichergestellt werden, dass die zur Verfügung stehende Rechenzeit nicht überschritten wird. Von der Gesamtrechenzeit muss die Systemzeit des Betriebssystems abgezogen werden. Beispiel Task 1 Zykluszeit 20 ms, Rechenzeit 10 ms Task 2 Zykluszeit 50 ms, Rechenzeit 30 ms Systemzeit ca. 5 % Die eingestellten Zykluszeiten können nicht eingehalten werden (Echtzeitfehler!). Task2 kann nur alle 100 ms aufgerufen werden! Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-14
1.5.4 Signale, Daten und Speicher Automatisierung bedeutet immer auch Signalverarbeitung. Signale sind Träger von Informationen aus dem zu automatisierenden Prozeß. Nach der Verarbeitung wird mit Signalen über Stellglieder in den Prozess eingegriffen. Aus der Sicht der Datenverarbeitung übertragen Signale Daten des Prozesses, und die Automatisierungseinrichtungen vollziehen eine Datenverarbeitung. Daten stehen für Informationen und Werte. Dies erfordert die exakte Festlegung von Datenformaten. Neben binären Signalen von Schaltelementen und digitalen Signalen (z.b. von Encodern) liegen analoge Signale in Form von Spannung, Strom, Druck, Lichtintensität, Temperatur u.a. vor. Für die Automatisierungseinrichtungen werden sie zu genormten Signalen (überwiegend Strom oder Spannung) gewandelt und digitalisiert. Primär wird die Information von Signalen durch Amplitude, Frequenz oder Form des Signals dargestellt, in der Digitaltechnik ausschließlich durch eine Anzahl von Bits. Die CPU von Automatisierungsgeräten verarbeiten auschließlich binäre und digitale Signale (Daten). Dazu müssen diese auf bestimmten Speicherplätzen abgelegt werden und über deren Adressen verfügbar sein. Für diese Aufgaben haben sich zwei Methoden entwickelt 1. Die Speicherplätze müssen vom Anwender selbst mit Byte- und Bitadresse addressiert werden (absolute oder direkte Adressierung). Dies gilt z.b.für das System Simatic S5 / S7 für den Merker- und Datenbaustein-Bereich. Anstelle der absoluten Adressen kann der Anwender für jedes Datum ein Symbol definieren. Die symbolische Adressierung ist der absoluten Adressierung vorzuziehen! 2. Das System adressiert seinen Datenspeicher selbst. Hier muß der Anwender für alle Signale (Daten) Variablen deklarieren. Durch das Anlegen von Variablen mit zugeordnetem Datentyp werden die erforderlichen Speicherplätze reserviert. Variablen wirken wie Platzhalter für die Daten im Datenspeicher. Diese Adressierung erfolgt beispielsweise im System CoDeSys und wird nach IEC 61131-3 vorgeschrieben. Einzelheiten sind nachfolgenden Abschnitten zu entnehmen. Zuordnungsliste Prozess Steuerbit HALT Zählerstand Wert Adresse M100.0 DB15.DBW10 Symbol HALT Werte CPU Vom Anwender adressierte Speicherplätze z.b. M100.0 oder DB15.DBW10 oder symbolisch mit HALT oder Werte benutzt Vom System mittels Variablen adressierte Speicherplätze z.b. HALTBOOL; oder Wert INT; Bild 1.5. 10 Prinzipien der Adressierung von Datenspeichern Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-15
In der Digitaltechnik wird der Informationsinhalt von digitalen Signalen durch eine Anzahl Bits festgelegt, die ausschließlich zwei Zustände 0 und 1annehmen können. 0 bzw. FALSE bedeutet Strom oder Spannung nicht vorhanden 1 bzw. TRUE bedeutet Strom oder Spannung vorhanden Digitale Signale werden nach ihrer Breite eingeteilt. Dabei fungiert das Bit als kleinste Einheit. Es sind festgelegt Bit Kennung X Schlüsselwort BOOL Byte 8 Bit breit Kennung B Schlüsselwort BYTE Wort 16 Bit (2 Byte) breit Kennung W Schlüsselwort WORD Doppelwort 32 Bit (4 Byte oder 2 Worte) breit KennungDW Schlüsselwort DWORD Daneben bezeichen vier Byte eine Tedrade. Diese ist jedoch kein genormtes Datenformat Die Festlegung auf Byte als Basiseinheit für größere Datenbreiten resultiert historisch aus der 8- Bit-Rechentechnik. Bit-, Byte-, Wort- und Doppelwort-Adressen werden nach folgenden Regeln festgelegt Adressieren eines BOOL / Bit) Byteadresse Bitadresse Adressieren eines BYTE Byteadresse Adressieren eines WORD Byteadresse des niederwertigen BYTE Adressieren eines DWORD Byteadresse des niederwertigsten der vier BYTE. Bildliche Darstellung Bit mit Wert 0 0 Bit mit Wert 1 1 Byte 102 0 0 1 0 1 0 1 1 Bit 102.7 Bit 102.4 Bit 102.0 Wort 102 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 oder Wort 102 Byte 102 Byte 103 Bit 102.7 Bit 102.4 Bit 102.1 Bit 103.7 Bit 103.4 Bit 103.0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 Bit 102.15 Bit 102.12 Bit 102.8 Bit 102.7 Bit 102.4 Bit 102.0 Darstellung Simatic Doppel- Wort 102 Byte 102 Byte 103 Byte 104 Byte 105 Darstellung Simatic Solche Adressen bezeichnen nicht die absolute Adresse im insgesamt verfügbaren Datenspeicher, sondern die ab Adresse 0 gezählte relative Adresse in einem bestimmten Adressbereich wie z.b. Merkerbereich. Nebenstehendes Beispiel erläutert absolute und relative Adressierung im Datenbereich, dargestellt am Beispiel eines Merkerbereiches. Speicher Adresse 0000 0001 0002 0AFF 0B01 0B02 0B03 Merkerbereich Adresse MB0 MB1 MB2 MB3 Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-16
Zur Speicherung von Betriebsystemen, Programmen und Daten verfügen klassische CPU über verschiedene interne und externe Speicher. Die Entwicklung der Speichertypen und größen ist sehr schnellebig! Intern Betriebssystem ROM Programmspeicher (Codespeicher) RAM Datenspeicher RAM Nullspannungsfester Datenspeicher EEPROM, Flash-ROM MMC Pufferbatterie EEPROM Extern Aktulle Technik Klassische Technik Bild 1.5. 11 Möglichkeiten der Pufferung von Daten am Beispiel einer S7 - CPU Steckbare Micro Memory Card (MMC) Flash-ROM Steckbarer nullspannungsfester Programmspeicher EPROM und EEPROM (EEPROM s sind elektrisch beschreibbar und löschbar. Vorläufer vom Typ EPROM waren nur durch UV-Licht löschbar. Flash-ROM unterscheiden sich in der Anwendung nicht von EEPROM, sondern nur durch ihre interne Adressierung. So kann dort nur blockweise adressiert werden.) Daneben wurden bisher der Programmspeicher und ausgewählte Datenbereiche mit einer Batterie gepuffert. Da mit Batterien Wartungsintervalle entstehen (typisch 1 Jahr), ist diese Technik nach Möglichkeit nicht mehr einzusetzen! MMC machen Batterien zunehmend überflüssig. MMC sind über Kartenleser zu lesen und zu beschreiben. Sie übernehmen heute die Funktion des Ladespeichers von CPU, wodurch solche CPU ohne MMC nicht mehr arbeitsfähig sind! Bei genügend großer MMC-Karte kann zusätzlich das gesamte Projekt einschließlich Kommentare, Symbole etc. abgespeichert werden. Damit liegt der Quellcode für Servicezwecke am Automatisierungsgerät bereit, kann vor den Arbeiten in das Programmiergerät geladen und nach Veränderungen zurückgeschrieben werden! Die oft zu Problemen führende Aufgabe der Ablage des aktuellen Quellcodes im Servicebetrieb entfällt dadurch! Beispiel Controller 841 WAGO-I/O-System 750 Speicherausbau Betriebssystem CODE-Speicher DATEN-Speicher RETAIN-Speicher (Nullspannungsfest) ROM 512k Flash-ROM ->RAM 128k RAM 24k EEPROM Bild 1.5. 12 Controller 750-841 Prozessabbild ausgebaut für 64 analoge oder digitale Klemmen bei gemischter Anordnung, erweiterbar bis 255 Klemmen Das Prozessabbild des Controllers enthält damit in den Worten 0... 255 bzw. Wort 512...1275 die physikalischen Daten der Busklemmen. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-17
Beispiel CPU 315-2DP Stand 04/2005 System SimaticS7 1.5.5 Die Programmiersprachen Mit der Entwicklung der SPS-Technik wurden zuerst drei Programmiersprachen eingeführt Anweisungsliste (AWL), Funktionsplan oder Funktionsbaustein-Sprache (FUP / FBS) und Kontaktplan (KOP). Heute lässt die Norm IEC 61131 weiter die Ablaufsprache (AS), den freigraphischen Funktionsplan (CFC) und den Strukturierten Text (ST) zu, so dass aus sechs Sprachen ausgewählt werden kann. Besondere Bedeutung werden in Zukunft ST und FUP/CFC und für Ablaufproblemstellungen AS haben. Anweisungsliste Speicherausbau Die AWL ist eine zeilen- und textorientierte Sprache. Der Anwender muss die Syntax der Befehle selbst kennen, d.h. er kann nicht aus einer Liste von Befehlen per Mausklick auswählen. In AWL können Aufgaben effizient, elegant und individuell gelöst werden. Eine (maximal ausgeführte) Anweisung besteht aus Arbeitsspeicher 128 k Programm 42 k Anweisungen Ladespeicher 64k... 8MB je nach MMC Merker 2048 Byte Timer 256 Zaehler 256 256 Datenbausteine zu je 64 kbyte Bearbeitungszeiten Bitoperation 0,1μs Wortoperation 0,2μs Festpunktoperation 2 μs Gleitpunktoperation 3 μs Operation (auch Befehl genannt) Sprungmarke Operator Operand Kommentar Kennzeichen Adresse Nur bestimmte Programmiersysteme! Beispiel 1 MARK UN E 2.0 //Abfrage Lichtschranke oder mit Symbolvereinbarung Lichtschranke E2.0 Beispiel 2 MARK UN Lichtschranke Beispiel 3 LD Lichtschranke (*Abfrage Lichtschranke, Lichtschranke ist eine Variable vom Typ BOOL*) Die Sprungmarke erlaubt optional, diese Anweisung von anderer Stelle des Programms aus zu erreichen. In den Beispielen 1 und 2 ist der Name der Sprungmarke MARK Der Operator sagt aus, was getan werden soll. In den Beispielen werden die Operatoren UN bzw. LD verwendet. Der Operand sagt aus, womit dieses getan werden soll. Der Kommentar hat keine Auswirkungen auf das Programm und wird auch nicht zur Hardware übertragen. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-18
Beispiel eines Programmcodes in Anweisungsliste im System CoDeSys Funktionsplan Der Funktionsplan ist eine graphische Sprache und benutzt u.a. die bekannten Bausteine und Symbole von Logikplänen. Weitere Bausteine wurden ergänzt. Ein Vorzug von FUP ist, dass man die Operationen zumeist aus bereitgestellten Katalogen auswählen kann und dadurch nicht alle Einzelheiten der Operation selbst kennen muss. Beispiel eines FUP Darstellungsart Step7 E0.1 >1 T10 E0.2 S_EVERZ & E0.3 S DUAL MW20 S5T#10s TW DEZ #Anzeige A4.6 #Stopp R Q = Beispiel eines Programmcodes in Funktionsplan im System CoDeSys Kontaktplan Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-19
Kontaktplan Die graphische Sprache Kontaktplan lehnt sich am Stromlaufplan kontaktbehafteter Steuerungstechnik an. Er kommt vor allem in den angelsächsischen Ländern als Leiter-Diagramm zum Einsatz, in Europa weiterhin auch in der Automobilindustrie. Ein Argument Durchgeschaltete Strompfade kann man Online am Programmiergerät auch von weitem erkennen. Auch im KOP wählt man die Operationen aus bereitgestellten Katalogen aus. Bei Verwendung komplexer Elemente wie Zeitgeber, Zähler, Datentransfer u.a. verlieren die Kontakte zunehmend an Bedeutung. Der KOP wird dann dem FUP sehr ähnlich. Als Grundbausteine kennt der KOP drei Elemente Operand Signalabfrage auf 1 Dieser Strompfad wird geschlossen, wenn der Wert des Operanden TRUE ist. Achtung! Nicht formal mit Schließer-Kontakt gleichsetzen! Operand Signalabfrage auf 0 Dieser Strompfad wird geschlossen, wenn der Wert des Operanden FALSE ist. Achtung! Nicht formal mit Oeffner-Kontakt gleichsetzen! Operand ( ) Operand ( S ) Spule Die Spule führt Signal TRUE, wenn der Strompfad geschlossen ist. Das Spulenzeichen kann modifiziert werden, z.b. mit Eigenschaft Setzen oder Rücksetzen Beispiel eines KOP Darstellungsart Step7 E1.0 E2.0 S5T#2S S_EVERZ S Q TW DUAL A2.0 ( ) R BCD Beispiel eines Programmcodes in Kontaktplan im System CoDeSys Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-20
Ablaufsprache (AS) Diese rein graphische Sprache ist effektiv für die Programmierung von Schrittketten in Ablaufsteuerungen einzusetzen. Ihre grundsätzlichen Elemente sind Schritt, Transition und Aktion (hierzu Abschnitt 11). Detail einer Ablaufsteuerung in AS im System CoDeSys Strukturierter Text (ST) Diese rein textorientierte Sprache ist die effektivste Sprache der Automatisierungstechnik. Sie besteht aus Anweisungen, in welche Logik und Parameterübergabe eingebunden werden (hierzu Abschnitt 13). ST unterstützt individuelle und optimierte Programmierung. Programmdetail in ST im System CoDeSys Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-21
Freigraphischer Funktionsplan (CFC) Im Gegensatz zum Funktionsplan ist man bei CFC nicht an die strengen Regeln und Grenzen von "Netzwerken" gebunden, sondern kann die Bausteine beliebig platzieren und mit Wirkungslinien verbinden. Nachteilig ist, dass dieser Vorteil die Analyse von Fehlerdetails eher erschwert. Die Sprache CFC ist besonders vorteilhaft bei komplexen Strukturen mit wenigen Variablen wie im nachfolgenden Beispiel eines geregelten Systems zu sehen ist. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-22
1.5.6 Hardware-Konfigurator und Programm-Editor Aktuelle Programmiersysteme für Automatisierungstechnik enthalten zumeist zwei grundsätzliche Tools den Konfigurator für Hardware den Editor für Programme Mit dem Tool HW-Konfiguration werden Baugruppen aus einem Software-Katalog entnommen und ein Abbild der Automatisierungstechnik konfiguriert. In den Baugruppen werden sodann Eigenschaften und Bausteinparameter eingestellt (parametriert). Während vor Jahren Bausteinparameter mittels Wickelbrücken, DIL-Schaltern oder Lötbrücken eingestellt wurden, ist dies heute überwiegend online per Software üblich. Zumeist gilt Alle HW-Baugruppen werden vom Hersteller mit Default-Einstellungen (= Vorbesetzte Einstellungen) ausgeliefert. Solange diese nicht verändert werden müssen, kann auf besondere HW- Konfiguration verzichtet werden. Dies ist aber heute eher weniger der Fall. Insbesondere erfordert die Vernetzung von Baugruppen mit Bussystemen die Einstellung spezieller Parameter. Als Beispiel der HW-Konfiguration zeigt Bild 1.5-13 die Arbeit mit dem Tool HW-Konfig des Systems Step7 bei der Konfiguration eines Profibus-DP-Netzes. Bild 1.5-13 HW-Konfiguration im System Simatic S7/Step7. Im Detailbild rechts können die Eigenschaften der eingesetzten CPU parametriert werden. Mit dem Tool Programm-Editor werden nach Wahl einer Programmiersprache Programmanweisungen geschrieben. Hierfür sind eine Vielzahl von Regeln einzuhalten, die in weiteren Abschnitten detailliert dargestellt werden. Grundsätzlich ist die Tendenz zu erkennen, Programmieren durch Parametrieren zu ersetzen, wo immer dies möglich ist. Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-23
1.5.7 Wichtige Begriffe zu Bauformen und Systemen Kompakt-SPS Sie enthält Eingabe-, Verarbeitungs- und Ausgabeeinheit unveränderbar in einem Gehäuse. Kompakt-SPS werden zumeist im unteren Leistungsbereich eingesetzt. Allerdings wird das Konzept heute mit vielen Erweiterungsmodulen bereits unterlaufen. Beispiel Siemens Simatic S7-200 (im Bild ältere (Ausführung, die Software Step7 MicroWin ist nicht kompatibel zu Step7) SIEMENS SIMATIC S7-200 SF I0.0 I1.0 RUN I0.1 I1.1 STOP I0.2 I1.2 I0.3 I1.3 I0.4 I1.4 I0.5 I1.5 I0.6 I0.7 Q0.0 Q1.0 Q0.1 Q1.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 CPU 214 Bildquelle Siemens AG, Lehrgang SPS-Techniker Modulare SPS Eingabe-, Verarbeitungs- und Ausgabeeinheiten werden für jede Applikation nach speziellen Leistungsanforderungen aus einem Pool von Kartenbaugruppen (KBG) zusammengestellt. Die KBG werden auf Steckplätzen von Rack s (Grundrahmen) montiert und über den Rückwandbus der Rack s verbunden. Rack Beispiel Siemens Simatic S7-400 Bildquelle Siemens AG, Lehrgang SPS-Techniker Steckplatz Vernetzte SPS Ein grundsätzlicher Trend der Automatisierungstechnik ist die Denzentralisierung. Automatisierungssysteme werden dabei in Module zerlegt, welche dann (heute häufig ohne Schaltschrank) dort angebaut werden, wo sie lokal benötigt werden. Durch Vernetzung mit einem Bussystem werden die Komponenten zu einem Gesamtsystem verschaltet. Die Komponenten können eigene Intelligenz besitzen oder aber lediglich als dezentrale Peripherie Eingänge und Ausgänge bereitstellen Beispiel Vernetztes SPS-Technik Simatic S7 mit Feldbus Profibus-DP In der Simatic-Welt erfolgen Vernetzungen in der Feld- und Automatisierungsebene bisher überwiegend mit dem Bussystem Profibus-DP. Dieses ist ein Master-Slave-System. Der Master ist eine SPS mit Profibus-DP-Schnittstelle oder ein spezieller Kommunikationsprozessor. Slave s können als intelligente Slave s eine eigene CPU haben oder aber als passiver Slave s lediglich dezentrale Peripherien aufbauen. Master Intelligenter Slave passive Slave Feldbus Profibus-DP zentrale Peripherie dezentrale Peripherie Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-24
Soft-SPS PC-based Automation Bei diesen Automatisierungssystemen arbeitet eine SPS-Software auf dem Prozessor eines industrietauglichen PC. Eingangs- und Ausgangsmodule für die Sensorik bzw. Aktorik werden über Schnittstelle und Feldbusse angeschaltet. Bildquelle Siemens AG www.ad.siemens.de/support Industrie PC Hier läuft eine Runtime Lizenz eines SPS-Programms Bussystem zur Anschaltung von E / A Modulen (dezentrale Peripherie) Beispiel System Simatic PC-basierte Automation mit WinAC WinAC WinLC Windows Automation Center Automatisierungstechnik, die als Software- Lösung auf IndustriePC mit Windows Betriebssystem abläuft. Hierfür wird auch der Begriff PC basierte Automation benutzt. Als IndustriePC können PanelPC, HutschienenPC oder auch industrietaugliche StandardPC zum Einsatz kommen. Windows Logic Controller Im System WinAC ist WinLC die Software-Version einer SPS Simatic S7 ( Soft-SPS ). Sie ist kompatibel zu anderen Simatic Produkten wie WinCCflexible oder ProTool und kann mit anderen HW- SPS S7 / Step7 zusammenarbeiten. Insbesondere steuert WinLC über Profibus-DP eine dezentrale Peripherie (wie z.b. ETS 200). Die Kommunikationssysteme werden überwiegend über den Kommunikationsprozessor CP5611 angeschaltet- Industrietauglicher Standard PC WinCC flexible SPS S7 WinLC Dezentrale Peripherie CP 5611 S7-Kommunikation Industrial Ethernet Profibus-DP oder MPI Profibus-DP Beispiel eines Control-Panels einer Soft-SPS (hier Simatic WinLC) auf dem Bildschirm des PC Dieses sieht aus wie die Frontseite der CPU einer HW-SPS und wird per Mausklick wie die selbe bedient. Bildquelle Siemens AG www.ad.siemens.de/support Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-25
Beispiel Anlagenschema für PC based Automation mit Hauptkomponenten Quelle Siemens AG. Demosoftware Simatic WinAC Basis 4.1 11/2004 Embedded Systems ( HutschienenPC ) ( IndustriePC embedded ) (engl. eingebettete Systeme) Dieser Begriff bezeichnet spezielle IndustriePC, auch IndustriePC embedded genannt. Gegenüber industrietauglichen StandardPC zeichnen sie sich aus durch ultra kompakte Bauform und damit kleinere Abmessungen, Aufbau zumeist auf Hutschiene, Robustheit und Wartungsfreiheit durch Verzicht auf Lüfter und mechanischen Festplatten. Dadurch bedingt ist ihre Leistungsfähigkeit - festgelegt durch Speichergröße, Taktfrequenz und anfallende Verlustwärme geringer. Microbox PC 420-T - ein Industrie PC embedded im System Simatic BildquelleSiemens AG www.ad.siemens.de/support WAGO-I/O-PC 758-870 - ein Industrie PC embedded für Busklemmentechnologie von Kontron Bildquelle WAGO GmbH www. wago.com Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-26
Panel-PC Panel-PC embedded Kombination von Operator Panel und Standard Industrie-PC oder aber Industrie PCembedded. Auf dem Panel-PC läuft eine Soft-SPS, und der Prozess kann dann am gleichen System bedient und beobachtet werden. Simatic Panel PC 577 Bildquelle Siemens AG www.ad.siemens.de/support RunTime-Lizenz Der Betrieb von Soft-SPS und Operator-Panel sind Beispiele für die Praxis von RunTime-Lizenzen Um die Soft-SPS zu programmieren und die Visualisierung auf dem Bildschirm zu gestalten, wird die Software des gesamten Systems also die Entwicklungsumgebung benötigt. In der Anlage selbst soll das System nicht programmierbar sein, sondern nur seine programmierten Funktionen erfüllen. Das leisten RunTime-Versionen der jeweiligen Software. Entwicklungswerkzeug Hier läuft die Entwicklungs-Software für Visualisierungssystem und Soft-SPS Beim Kunden laufen nur RunTime-Versionen der gleichen Software Einmaliger Eintrag BildquelleSiemens AG www.ad.siemens.de/support Busklemmentechnologie Eine eindeutige Definition des Begriffs Busklemmen gibt es bisher nicht! In den letzten Jahren wurden Steuerungen auch in Hinsicht auf feinmodularen Aufbau und minimalen Platzbedarf im Schaltschrank optimiert. Ergebnis sind Busklemmen. Diese intelligenten elektronischen Reihenklemmen verarbeiten unterschiedlichste analoge und digitalen Signale und können zusammen mit Controllern und Kopplern zu vernetzten SPS kombiniert werden. Es gibt Controller und Koppler für alle gängigen Feldbussysteme. Controller sind programmierbar, d.h. mit CPU s klassischer SPS vergleichbar. Koppler sind nicht programmierbar. Sie sind über einen Feldbus an einem Controller angeschaltet und dienen als Eingangs- oder Ausgangsbaugruppen einer dezentralen Peripherie. Äußerlich sind Controller und Koppler zumeist nicht zu unterscheiden, wohl aber im Preis! Grundlagen der Automatisierungstechnik I Kap. 1.5 Grundwissen SPS-Technik Seite 1.5-27