SPS-Design für Automatisierungs- und industrielle Steuerungsanwendungen

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind ein wesentlicher Bestandteil der Automatisierung und industriellen Prozesssteuerung. SPSen steuern verschiedene Aktoren, analoge und digitale Sensoren an und stellen komplexe Kommunikationsschnittstellen in sich ändernden Protokollen bereit.

Abgesehen von Steuerungsfunktionen führen SPSen die Datenumwandlung und Signalverarbeitung durch. SPSen, die von Entwicklungen im Bereich industrielles Internet der Dinge (IIoT) vorangetrieben werden, bieten sichere und skalierbare Lösungen, eine hohe Leistung, einen geringen Stromverbrauch sowie einen geringen Platzbedarf.

SPSen finden heutzutage breiten Einsatz in Anwendungen der digitalen Welt. Die sequentiellen und wiederholten Vorgänge in der Industrie werden in der Regel mithilfe von SPSen durchgeführt. Diese sind bereit für die Industrie 4.0. Dieser Artikel beleuchtet das SPS-Design und die Herausforderungen, die sich dabei mit Blick auf die industrielle Anwendung stellen.

Was ist eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)?

Eine speicherprogrammierbare Steuerung, allgemein bekannt als SPS, ist ein Halbleiter-, Digital- und Industriecomputer, der integrierte Schaltungen anstelle von elektromechanischen Einrichtungen verwendet, um Steuerungsfunktionen zu implementieren.

Gemäß NEMA ist die SPS als digitale elektronische Einrichtung definiert, die einen programmierbaren Speicher verwendet, um bestimmte Funktionen zu implementieren und Anweisungen zu speichern. Die Liste der bestimmten Funktionen umfasst Logik, arithmetische Sequenzierung, Timing und Zählung sowie die Steuerung von Prozessen und Maschinen.

Die Formfaktoren von SPSen haben sich im Laufe der Jahre maßgeblich geändert – von Industrie-PCs und Programmable Automation Controllers (PAC) in PC-ähnlichen Formaten hin zu kompakten Gehäusen und Mini-SPSen. Auch die SPS-Funktionalität hat sich weiterentwickelt. Abgesehen von diskreten Steuerungsfunktionen übernehmen SPSen heute Funktionen wie Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS), industrielles Echtzeit-Ethernet, Bewegungssteuerung und Datenkommunikations-Gateway. Mehrere aktuelle Branchen implementieren die intelligente Fertigung, bei der vernetzte Systeme für die Interaktion zwischen dem Unternehmen und Maschinen (M2M) genutzt werden. Das Design von SPSen wird neu konzipiert, um eine zuverlässige, einwandfreie Funktion und Störfestigkeit gegenüber feindlichen, verrauschten, staubigen Umgebungen sowie Wasserbeständigkeit zu gewährleisten. Darüber hinaus sind Echtzeitverfügbarkeit und Betriebsfähigkeit über einen breiten Umgebungstemperaturbereich ebenfalls erforderlich. element14 hat sich mit vielen verschiedenen Lieferanten zusammengetan, die ein breites Portfolio an SPS-Produkten anbieten. (Für weitere Informationen zu SPS-Produkten klicken Sie bitte hier)

SPS-Klassifizierung

SPSen werden basierend auf ihrem Ausgang in drei Typen eingeteilt: SPS mit Transistorausgang, mit Triac-Ausgang und mit Relaisausgang. Der Relaisausgangstyp eignet sich ideal sowohl für AC- als auch für DC-Ausgangsgeräte. Die SPS mit Transistorausgang nutzt Schaltvorgänge und wird in Mikroprozessoren verwendet.

SPSen sind so konzipiert, dass sie robust sind und extremen Temperaturen, elektrischem Rauschen, Feuchtigkeit und Vibrationen standhalten. Logikregler steuern und überwachen eine große Anzahl von Aktoren und Sensoren und unterscheiden sich somit von anderen Computersystemen in ihren beachtlichen Eingangs-/Ausgangs-Möglichkeiten.

SPS-Anatomie

SPSen sind kompakte modulare Geräte mit mehreren Ein- und Ausgängen (I/O) in einem Gehäuse, in das der Prozessor integriert ist. Die Bandbreite reicht bis hin zu großen modularen Rackgeräten, bei denen Tausende von Eingängen/Ausgängen mit SCADA-Systemen vernetzt sind. Die speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPSen) innerhalb des industriellen Steuerungssystems (ICS) dienen als nützliche Brücke zwischen den physischen und funkbasierten Kommunikationsprotokollen wie PROFIBUS, BACnet, DNP3, OPC, EtherCAT und CIP.

Jedes SPS-System besteht aus drei Modulen: CPU-Modul, viele Eingangs-/Ausgangsmodule (I/O-Module) und Stromversorgungsmodul.

Abbildung 1: Blockdiagramm der SPS-Module

• CPU-Modul: Dieses Modul enthält zusammen mit seinem Speicherteil einen zentralen Prozessor. Dieser Prozessor führt alle erforderlichen Datenverarbeitungen und Berechnungen durch, indem er entsprechende Eingaben empfängt und die jeweiligen Ausgänge erzeugt.
• Stromversorgungsmodul: Eine Ausgangsspannung von 5 V DC wird benötigt, um die Computerschaltung der SPS zu betreiben. Diese wird vom Stromversorgungsmodul zuverlässig bereitgestellt. Dies ist grundsätzlich das Modul, das für die Stromversorgung des Systems verantwortlich ist. Es nimmt Wechselstrom auf und wandelt diesen in Gleichstrom um, den die beiden anderen Module (Ein-/Ausgangs- und CPU-Modul) verwenden.
• I/O-Module: Die Eingangs-/Ausgangsmodule überwachen die Sensor- und Aktorverbindungen zum SPS-System, um verschiedene Parameter wie Druck, Durchfluss und Temperatur zu erfassen. Die I/O-Module sind entweder analog oder digital.

Die SPS-Programmierung ermöglicht es dem Benutzer, das Steuerungssystem mit einer festgelegten Syntax zu konfigurieren. Ladder, Boolean und Grafcet sind verschiedene Programmiersprachen, die dafür genutzt werden. Die Sprachen Ladder und Boolean implementieren Operationen auf die gleiche Weise, unterscheiden sich jedoch in der Art, wie ihre Anweisungen dargestellt werden und wie sie in die SPS eingegeben werden. Die Grafcet-Sprache steuert Anweisungen unterschiedlich, abhängig von den Aktionen und Schritten in einem grafisch orientierten Programm. Heutzutage werden mehrere verschiedene Programmiersprachen verwendet, die jeweils die SPS mit ihren auf dem IEC 61131-3-Standard basierenden Programmierspezifikationen versorgen. Für weitere Informationen zu SPS-Programmierungs-Produkten klicken Sie bitte hier.

SPSen in industriellen Anwendungen

SPSen werden in verschiedenen Anwendungen in Kraftwerken, Smart Grid-Systemen, Fertigungsanlagen, bei der Überwachung von Werkzeugmaschinen oder Geräten, beim Aufbau des Systems und bei Prozesssteuerungsfunktionen eingesetzt. Wir werden auf einige der SPS-Anwendungsfälle eingehen, die in der industriellen Automatisierung eingesetzt werden.

a) Automatisches Misch- und Flaschenabfüllsystem mit SPS in der Getränke- und Saftindustrie

In einem automatischen Misch- und Flaschenabfüllsystem sollen zunächst zwei Flüssigkeiten, nämlich Wasser und Proteinflüssigkeit, aus zwei unterschiedlichen Behältern in einem Mischbehälter gemischt werden, wie in der folgenden Abbildung 2 dargestellt. Die gemischte Lösung soll nacheinander in die Flaschen abgefüllt werden. Die Starttaste löst den gesamten Systembetrieb aus. Hier wird der Sensorausgang in die SPS eingegeben und Ausgänge der SPS steuern die Ventile, den Mischer und das Förderband. Die erste Flüssigkeit (Wasser) fließt 10 Sekunden lang in den Mischbehälter. Die zweite Flüssigkeit fließt dann 15 Sekunden lang in den Mischbehälter. Der Mischvorgang dauert 20 Sekunden. Die Stopptaste steuert den Betrieb. Für weitere Informationen zu Prozesssteuerungs-Produkten klicken Sie hier.

b) Verarbeitung von Flachgläsern und Steuerung des Materialverhältnisses mittels SPS in der Glasindustrie

SPSen werden in der Glasindustrie eingesetzt, um das Materialverhältnis zu steuern und Flachgläser zu verarbeiten. Diese Technologie hat sich im Laufe der Jahre stetig weiterentwickelt und damit eine kontinuierlich steigende Nachfrage nach dem Betrieb mit SPS-Steuerung in der Glasindustrie geschaffen. Die Glasherstellung ist ein komplexer Prozess. Die beteiligten Unternehmen verwenden häufig SPSen mit Bustechnologie als Steuermodus. Die SPS erfasst dabei analoge Daten in der Glasherstellung und sorgt für die Positionskontrolle mit digitaler Qualität im Prozess.

c) Mischen von Rohstoffen mittels SPS in der Zementindustrie

Bei der Herstellung von Zement werden verschiedene Rohstoffe in einem Ofen gemischt. Die Endproduktqualität wird durch diese Rohstoffe und ihre jeweiligen Anteile bestimmt. Die Daten müssen genau sein, um die Verwendung der richtigen Menge und Qualität der Rohstoffe zu gewährleisten. Ein verteiltes Steuerungssystem besteht aus einer SPS im Benutzermodus und einer Konfigurationssoftware, die in Management- und Produktionsprozessen verwendet wird. Die SPSen steuern insbesondere den Kohleofen, den Schachtofen und die Kugelmühle.

Abbildung 2: Automatisches Misch- und Flaschenabfüllsystem

Fazit

Eine gute Automatisierung und Prozesskontrolle sind in der wettbewerbsorientierten Welt von entscheidender Bedeutung. SPS-basierte Automatisierungsarbeiten machen die Produktion rentabel. SPSen können komplexe Vorgänge vereinfachen und die Rüstzeit reduzieren. Die Arbeiten in der Keramik-, Zement-, Verpackungsindustrie, Chemiebranche, Lebensmittelverarbeitung usw. benötigen dringend SPS-Systeme für hervorragende Leistung und Gewinn.