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4. Speicherprogrammierbare Steuerungen - fst-intranet.de

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4. Speicherprogrammierbare Steuerungen
4.1. Grundlagen
SPS – Speicherprogrammierbare Steuerungen
Die erste Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) wurde 1968 von der
Firma General Motors entwickelt, als die Firma nach einem Ersatz für
aufwendige Relaissteuerungen suchte. An das neue Steuerungssystem
wurden folgende Anforderungen gestellt:
–
–
–
Einfache Programmierung
Änderungen des Programms ohne Eingriff in das System
( kein internes um verdrahten )
Kleiner, billiger und sicherer als entsprechende Relaissteuerungen
einfache und kostengünstige Wartung
Die ersten Systeme, die daraufhin entwickelt wurden, konnten ausschließlich
Signale miteinander verknüpfen. Die Vorschrift, wie diese Signale verknüpft
wurden, ist im Steuerprogramm festgelegt. Diese konnten durch die neuen
Systeme erstmalig am Bildschirm definiert und in elektronischen Speichern
abgelegt werden.
Seitdem sind 3 Jahrzehnte vergangen und die enorme Entwicklung der
Mikroelektronik hat auch vor Speicherprogrammierbaren Steuerungen nicht
haltgemacht. Stand beispielsweise anfänglich für den Programmierer noch die
Optimierung von Programmen und damit die Verringerung von benötigter
Speicherkapazität als eine wichtige Aufgabe im Vordergrund, so spielt diese
heute kaum noch eine Rolle.
Auch die Anwendungsfälle haben sich wesentlich erweitert.
Prozessvisualisierung, Analogwertverarbeitung und der Einsatz der SPS als
Regler waren vor 15 Jahren noch nicht möglich. Heute kann die SPS sehr
vielseitig eingesetzt werden. Auch das Leistungsspektrum der SPS ist sinnvoll
abgestuft. Es sind Steuerrelais mit 8 Eingängen und 4 Ausgängen auf dem
Markt, die einfache Steuerungsaufgabe übernehmen können. Deren
Einsatzgebiete liegen im
Haus – und Installationsbereich, Licht –, Fenster –, Tor –, Markisen – und
Rollladensteuerungen. Auch Lüfter, Drehtüren, Wintergärten, Außenlicht –
anlagen, Steuerungen zur Temperatur –, Luft – und Helligkeitsregelung können
mit einem Steuerrelais sinnvoll realisiert werden.
Die nächste Leistungsstufe bildet die Kompakt – SPS mit einer festen Anzahl
von Ein – und Ausgängen. Die Kompakt – SPS wird sinnvoll zur Maschinen –
und Anlagensteuerung, Pressen, Förderbänder, Schwingförderer,
Sortieranlagen und Pumpensteuerungen eingesetzt.
Nur für Schüler der Fachschule für Technik Mühlhausen
Erarbeitet von Axel Friedemann & Maik Auerbach GT00T
Für umfangreiche Steuer – und Regelaufgaben stehen modular aufgebaute
Automatisierungssysteme zur Verfügung, die auch untereinander vernetzt
werden können. Meistens sind bei diesen weitvermaschten Anlagen auch die
Sensoren und Aktoren über einen Sensor – Aktorbus zu dem Automatisier –
ungsgerät geführt.
Bei jeder Automatisierungslösung sind die bestehenden Vorschriften und
Normen einzuhalten.
Gefährliche Zustände für Mensch und Maschine dürfen nicht entstehen. Dabei
müssen spezielle Programmier – und Verdrahtungstechniken
eingesetzt werden.
Die SPS übernimmt heute in der Automatisierungstechnik komplexe Aufgaben,
die früher nur Rechnersystemen vorbehalten waren. Die Norm IEC 1131
( DIN EN 61 131 ) schafft eine Basis für leistungsfähige SPS – Systeme, die
unabhängig vom Hersteller bestimmten Standards genügen sollen.
Zum Beispiel werden dadurch viele Fachbegriffe der SPS – Technik genau
definiert. Weiterhin existiert jetzt ein einheitliches Hardwaremodell, dessen
elektrische, mechanische und funktionelle Merkmale in der neuen Norm
nachlesen lassen. Ein wesentlicher Bestandteil ist die Schaffung einheitlicher
Sprachregeln ( Syntax ), dazugehören:
–
–
–
–
–
–
AWL
KOP
FUP
FBS
ST
AS
( Anweisungsliste )
( Kontaktplan )
( Symbole nach DIN 19239 )
( Funktionsbausteinsprache )
( strukturierter Text )
( Ablaufsprache )
Trotz dieser Normung wird es aber auch in Zukunft nicht möglich sein, mit einem
Programmierwerkzeug ( Software ) alle am Markt befindlichen SPS – Geräte
programmieren zu können.
Speicherprogrammierbare Steuerungen?
Was ist denn das?
Sie kennen die „ Schützsteuerung “. Prima; denn das ist schon eine
programmierte Steuerung. Und zwar eine verbindungsprogrammierte. Nach
welchem Programm diese Steuerung arbeitet, wird durch die Verdrahtung
zwischen den einzelnen Eingabe – und Ausgabeelementen ( wie z. B.
Geberkontakten, Ventilspulen, Hilfsschützen usw. ) bestimmt.
Bei einer Speicherprogrammierbaren Steuerung ist der Aufbau
standardisiert. Das heißt: Die Eingabe- und Ausgabeelemente werden
lediglich mit den Anschlussklemmen des Steuergerätes verbunden. Das
Programm, nach welchem die Steuerung arbeiten soll, wird in Form von
Steueranweisungen festgelegt.
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Diese werden dann mit Hilfe eines Programmiergerätes in den Programm –
speicher des Automatisierungsgerätes eingetragen, denn um ein solches
handelt es sich bei einer Speicherprogrammierbaren Steuerung. Bei einer
Programmänderung wird hier nicht der interne Aufbau des Automatisierungs –
gerätes, sondern nur der Inhalt des Programmspeichers korrigiert. Für so einen
Fall kommt die SPS ins Spiel: Die elektronische Steuerung. Sie schaltet und
steuert. Fehlerfrei und jederzeit.
Und wie einfach das geht, wollen wir Ihnen zeigen.
4.1.1. Aufbau und Wirkungsweise einer SPS
Jede Informationsverarbeitung lässt sich kurz durch folgendes Schema
darstellen:
Daten –
eingabe
Datenverarbeitung
und
Datenspeicherung
Daten –
ausgabe
Bei der Informationsverarbeitung durch einen Automaten werden über Ein –
gabeeinheiten Signale als Träger der zu verarbeitenden Informationen aufge –
nommen. Mit Hilfe eines gespeicherten Programms werden diese Informationen
im Prozessor verarbeitet. Das Ergebnis dieser Verarbeitung wird über Aus –
gabeeinheiten durch Signale als Träger der Information zur Verfügung gestellt.
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4.1.2. Struktur einer SPS
Die Programmiersprachen in der SPS – Technik
In den vergangenen Jahren hatten sich 3 wesentliche Programmiersprachen für
die SPS- Technik durchgesetzt:
–
–
–
Anweisungsliste
Funktionsplan und
Kontaktplan
( AWL )
( FUP )
( KOP )
Die Einbindung von speicherprogrammierbaren Steuerungen ( SPS en ) in
modernen Automatisierungsanlagen ist seit Jahren eine bewährte Praxis. In
Verbindung mit wachsender Komplexität der Automatisierungseinrichtungen und
der damit verbundenen Software für SPS en ist der Ruf nach Standardisierung
immer lauter geworden.
Unter der Schirmherrschaft der International Electrotechnical Commission ( IEC )
wurde in den letzten Jahren der Standard IEC 1131 „ Programmable Controllers “
erarbeitet. Dieser Standard vereint in sich die Erfahrungen, die national in den
letzten Jahren auf dem Gebiet der SPS – Programmierung gemacht wurden.
Hierzu gehörten vor allem Normen, Richtlinien und Empfehlungen wie
–
–
–
–
–
Grafcet
( Frankreich ) bzw. IEC848
DIN 40719
( Deutschland )
NEMA ICS-3-304 ( USA )
DIN 19239
( Deutschland )
VDI 2880
( Deutschland )
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Zusätzlich wurden Konzepte der Programmierung, die Funktionalität einer SPS,
die Anwendung und der Einsatz mit dem Ziel vereinheitlicht, dass Anwender
ohne große Mühe mit unterschiedlichen SPS – Systemen arbeiten können.
Die Norm IEC 1131 besteht aus fünf Teilen:
•
•
•
•
•
Teil 1:
Teil 2:
Teil 3:
Teil 4:
Teil 5:
Allgemeineinformationen
Ausrüstung und Testanforderungen
Programmiersprachen
Anwenderrichtlinien
Kommunikation
Die Teile 1 bis 3 dieser Norm wurden Mitte 1994 unverändert als Europäische
Norm EN 61131 Teil 1 bis 3 übernommen. Somit haben sie gleichzeitig den
Status einer deutschen Norm.
Der Teil 3 ( Programmiersprachen ) bildet dabei den wichtigsten Teil dieser
Norm. Er beinhaltet die leistungsfähige Sprache zur Strukturierung ( Ablauf –
sprache – AS) als auch die textuelle ( Anweisungsliste - IL, Strukturierter Text –
ST) wie auch grafische ( Kontaktplan – KOP, Funktionsbausteinsprache – FBS )
Programmierung.
Bevor wir uns dann ausführlich dieser neuen Norm zuwenden wollen wir
zunächst an dieser Stelle kurz die ursprünglichen 3 Programmiersprachen
besprechen, weil diese auch heute weiterhin von Bedeutung sind.
•
Die Anweisungsliste ( AWL )
Jede Anweisung sieht folgendermaßen aus:
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Wir wollen dies an einem Praxisbeispiel nachvollziehen:
•
Der Funktionsplan ( FUP )
Im Funktionsplan werden Schaltfunktionen und Stromlaufpläne durch Logik –
symbole dargestellt.
y = x1 x2 ( x3 x4 v x5 x6 v x7 x8 )
Funktionsplan
x3
&
≥1
x4
x5
Stromlaufplan
&
x6
x7
x3
x5
x7
x4
x6
x8
x1
&
x2
&
x8
y
x1
x2
y
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•
Der Kontaktplan ( KOP )
Der Kontaktplan ist die amerikanische Darstellung des Stromlaufplanes.
In Amerika werden Stromlaufpläne nicht von oben nach unten, sondern von links
nach rechts gezeichnet und gelesen.
Es gibt folgende Kontaktplanelemente:
Element in Europa
Kontaktplanelement
Schließer
Öffner
Relaisspule
Für den oben angeführten Stromlaufplan ergibt sich somit folgender Kontaktplan:
y = x1 x2 ( x3 x4 v x5 x6 v x7 x8 )
Kontaktplan
x3
x5
x4
x1
x2
Stromlaufplan
y
x3
x5
x7
x4
x6
x8
x6
x1
x7
x8
x2
y
Vorbetrachtungen:
Programmierung von Schließern, Öffnern und Wechslern
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