Industrielle SPS-Motorsteuerung
Speicherprogrammierbare Steuerungen
Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist eine Art Industriecomputer, der zur Steuerung von industriellen Geräten und Prozessen wie Motoren, Montagelinien und Verarbeitungs- sowie Förderanlagen verwendet wird. Die SPSen sind robust gebaut, um rauen Bedingungen zu widerstehen, und sind ideal für Steuerungsanwendungen in Umgebungen, in denen ein hohes Maß an Staub oder Feuchtigkeit, Vibration, Schock und extremen Temperaturen herrscht.
Motoren sind weit verbreitet in Industrieanwendungen und SPSen sind eine ideale Lösung, um sie zu steuern. Sie ermöglichen eine einfache Implementierung komplexer Regeln: zum Beispiel sollte der Motor beim Drücken einer Starttaste nur dann starten, wenn Sensoren zeigen, dass Schutzvorrichtungen vorhanden sind und keine Fehlerbedingungen vorliegen.
Was ist eine SPS?
Eine SPS ist eine industrielle Steuerung, die auf einem Mikroprozessor beruht. Sie verfügt über einen programmierbaren Speicher zur Speicherung von Programmanweisungen und verschiedenen Funktionen. Eine SPS sammelt Daten von Sensoren oder anderen Eingangsgeräten, verarbeitet diese Daten nach ihren eingestellten Parametern und erzeugt dann entsprechende Ausgänge.
Diese Ausgänge können Befehle zum Starten oder Stoppen einer Maschine oder zum Auslösen von Alarmen sein, um darauf hinzuweisen, dass ein Prozess außerhalb seiner Grenzwerte läuft.
Eine SPS besteht aus fünf primären Bestandteilen:
- Prozessoreinheit – diese interpretiert die Eingänge, führt das gespeicherte Steuerprogramm aus und sendet Ausgangssignale
- Stromversorgungseinheit – wandelt AC-Spannung in DC-Spannung um
- Speichereinheit – speichert die von den Eingängen empfangenen Daten sowie das vom Prozessor ausgeführte Programm
- Eingangs- und Ausgangsschnittstelle – wird von der Steuerung verwendet, um Daten von den externen Geräten zu empfangen und Daten an diese zu senden
- Kommunikationsschnittstelle – überträgt Daten auf Kommunikationsnetzwerken zu entfernten SPSen und empfängt Daten von ihnen
SPSen sind einfach zu programmieren, auch von Personen mit wenig Erfahrung mit Programmiersprachen. Die gebräuchlichste Methode ist eine grafische Programmiersprache, die als Kontaktplan bezeichnet wird. SPSen bieten zudem eine hohe Zuverlässigkeit und eine einfache Fehlerdiagnose für Prozesse.
Sie haben festverdrahtete relaisbasierte Steuerungssysteme ersetzt, welche zeitaufwendig, schwierig zu gestalten und zu beheben waren. Trotz der Einführung komplexerer Steuerungssysteme auf Basis von Standardcomputerhardware sind SPSen wegen ihrer robusten Bauweise und Benutzerfreundlichkeit weiterhin beliebt.
Wie steuert eine SPS einen Motor?
SPSen steuern die Motoren nicht direkt. Vielmehr liefern sie ein Ausgangssignal an eine Zwischeneinrichtung, wie ein Relais oder einen Frequenzumrichter (FU), das den Motor dann zum Einschalten anweist.
SPSen sind in Wirklichkeit hochgradig flexible Industriecomputer, die eine Vielzahl von Eingangs- und Ausgangssignalen verwenden können. Diese können zwei Formen annehmen: diskrete oder analoge Signale. Diskrete Signale können nur einen Ein- oder Aus-Wert von Geräten wie Endschaltern, Sensoren und Encodern annehmen.
Analoge Signale können eine Spannung oder einen Strom verwenden, der proportional zu der zu überwachenden Größe ist und einen beliebigen Wert innerhalb ihrer Skala annehmen kann. Eingangsparameter, die ein analoges Signal verwenden, umfassen Druck, Durchflussrate und Gewicht.
Für eine einfache Motorsteuerung sind diskrete Signale am besten geeignet. In den meisten Fällen müssen Bediener nur einen Ein- oder Aus-Befehl ausgeben oder den Status eines Sensors ablesen, der bestimmt, ob der Motor sicher betrieben werden kann.
Typische SPS-Motorsteuerungsanwendung
In einer Motorsteuerungsanwendung wird der Motor an einen Motorabgang angeschlossen, der den Motor mit Strom versorgt, in der Regel eine dreiphasige 415 V-Versorgung. Die Programmierung des Kontaktplans ermöglicht es, die SPS so zu programmieren, dass sie auf Eingänge von Schaltern und Sensoren reagiert. Die SPS wird daher das Motoreinschaltsignal nur dann bereitstellen, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind.
Eine SPS verfügt über mehrere Eingänge, darunter eine Start-Taste, eine Stopp-Taste und mehrere Verriegelungseingänge – zum Beispiel Motorvibration hoch, Überlast, Motortemperatur hoch und Sensoren an Schutzbarrieren. Es wird auch einen Eingang haben, um anzuzeigen, ob der Motor lokal über das Bedienfeld oder die Fernbedienung von der SPS aus gesteuert wird.
Die grundlegende Bedienung besteht darin, den Motor zu starten, wenn die Start-Taste gedrückt wird. Wenn einer der Verriegelungseingänge aktiviert ist, erfasst das SPS-Programm dies als Fehler und verhindert, dass der Motor startet. Die SPS muss den Motor auch dann stoppen, wenn die Stopp-Taste gedrückt wird oder wenn die Eingänge von den Verriegelungen zu high gehen, was auf einen Fehlerzustand oder ein Sicherheitsproblem hinweist.
SPSen können auch andere Eingänge verwenden, um den Motor während des Betriebs zu steuern. Analoge Signale wie Motordrehzahl, Strom und Temperatur können verwendet werden, um eine optimale Leistung der Aufgabe zu gewährleisten, während Signale wie Endanschläge sicherstellen, dass die vom Motor bewegte Last in einem definierten physischen Bereich bleibt.
SPS-DC-Motorsteuerung
DC-Motoren werden am einfachsten über Relais betrieben. Ein elektromechanisches Relais (EMR) ist im Wesentlichen ein von einem Elektromagneten betätigter Schalter. Das Relais schaltet einen Lastkreis ein oder aus, indem es den Elektromagneten erregt, der wiederum in Reihe mit einer Last geschaltete Kontakte öffnet oder schließt. Relais werden gewöhnlich verwendet, um kleine Lasten von 15 A oder weniger zu steuern.
Ein Relais weist zwei Schaltkreise auf: den Spuleneingang (auch Steuerschaltung genannt) und den Kontaktausgang (Lastkreis). In Motorstromkreisen werden EMRs häufig zur Steuerung der Spulen in Schützen und Anlasser für Motoren eingesetzt.
Ein Relais wird in der Regel nur eine Spule haben, aber es könnte viele verschiedene Kontakte haben. EMRs haben sowohl stationäre als auch bewegliche Kontakte, wobei die beweglichen Kontakte am Anker angebracht sind. Kontakte werden als Öffner (NO) und Schließer (NC) bezeichnet. Wenn die Spule erregt wird, wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das den Anker in Bewegung versetzt, die NO-Kontakte schließt und die NC-Kontakte öffnet.
Spulen werden üblicherweise mit einem Buchstaben bezeichnet, wobei M für einen Motoranlasser verwendet wird, während mit CR Steuerrelais gekennzeichnet werden. Steuerrelaiskontakte sind klein, da sie nur die in Steuerkreisen verwendeten kleinen Ströme verarbeiten müssen, sodass sie zahlreiche isolierte Kontakte enthalten können.
Ein ähnliches Gerät wie ein EMR ist ein Schütz, wobei der Hauptunterschied die Größe und die Anzahl der Kontakte ist. Schütze sind für den direkten Anschluss an Hochstromverbraucher ausgelegt. Geräte, die mehr als 15 A oder in Schaltungen mit mehr als einigen Kilowatt Leistung schalten, werden allgemein als Schütze bezeichnet.
Wie steuert eine SPS die Motordrehzahl?
SPSen können verwendet werden, um die Drehzahl von AC-Motoren über einen drehzahlvariablen Antrieb (VSD), auch als Frequenzumrichter (FU) bezeichnet, zu steuern. Bei der FU-Motorsteuerung wird die Frequenz der AC-Versorgung des Motors variiert. Da die Drehzahl eines Induktionsmotors von der Versorgungsfrequenz abhängt, kann der FU dazu verwendet werden, dessen Drehzahl zu variieren. Sie können auch mit Synchronmotoren verwendet werden.
Ein FU ist im Wesentlichen ein Leistungswandler, der eine Elektronik verwendet, um eine feste Frequenz und eine feste Spannung in eine variable Frequenz und eine variable Spannung umzuwandeln. Sie verfügen in der Regel über eine programmierbare Benutzeroberfläche, welche eine einfache Überwachung der Drehzahl des Elektromotors ermöglicht.
Da Antriebe die Leistung einer Anwendung wie einer Pumpe oder eines Lüfters reduzieren, indem sie die Drehzahl des Motors steuern, kann dies den Energieverbrauch oft um 50 % und in Extremfällen sogar um 90 % reduzieren.
Während der FU die Drehzahl des Motors regelt, kann der FU selbst über eine SPS ferngesteuert werden. Um dies zu erreichen, muss die SPS dem FU einen Sollwert für die Motordrehzahl zur Verfügung stellen. Diese Information kann entweder automatisch von der SPS kommen oder vom Bediener über die Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS) eingestellt werden. Bei dieser Anordnung steuert die SPS die Antriebsgeschwindigkeit über den Sollwert und der FU steuert die Motordrehzahl durch Einstellen der Frequenz, um den Sollwert zu erreichen.
Eine typische FU-Anwendung zur Steuerung der Motordrehzahl kann die PID-Regelungsfunktionen nutzen, die einige SPSen bieten. Wie der Name schon sagt, besteht ein PID-Regler aus drei Hauptkoeffizienten – Proportional, Integral und Derivat. Als Teil eines Regelungssystems verwendet die SPS die PID-Funktion, um die Drehzahl des Motors zu bewerten und einen entsprechenden Ausgang zu erzeugen. Dieser wird an den FU gesendet, damit er dem Motor befehlen kann, zu verlangsamen oder zu beschleunigen, sodass der erforderliche Sollwert erreicht wird.
Vorteile von SPSen in Motorantriebsanwendungen
SPSen bieten mehrere Vorteile für Motorantriebsanwendungen. Da Motoren in industriellen Umgebungen oft in staubiger oder feuchter Atmosphäre oder bei hohen mechanischen Vibrationen zu finden sind, müssen Steuergeräte widerstandsfähig und robust sein – und SPSen erfüllen diese Voraussetzung.
Gute industrielle SPSen werden in der Regel nicht durch das in den meisten Industriestandorten übliche elektrische Rauschen beeinflusst. Da sie nur sehr wenige bewegliche Teile aufweisen, halten sich auch die Wahrscheinlichkeit für Fehler und Beschädigungen in Grenzen. Sie sind zudem kompakt und können einfach an vielen Orten platziert werden, an denen eine Motorsteuerung erforderlich sein könnte.
Die Programmierung einer SPS ist ebenfalls einfach, da sie in Relaisleiterlogik oder anderen leicht erlernbaren Sprachen programmiert sind. Mit einer in den Speicher integrierten Programmiersprache und mit Anschlüssen für Ein- und Ausgangsfeldgeräte und Kommunikationsports können bestehende Programme jederzeit problemlos geändert werden. Damit ist es für Entwickler mit wenig Programmierkenntnissen einfacher, Programme zu schreiben oder anzupassen, um ihre Motoranwendungen zu verwalten.
SPSen beruhen trotz ihrer Einfachheit auf der Halbleiter-Mikroprozessortechnik und stellen als solche einen großen Fortschritt gegenüber rein elektromechanischen Formen der Motorsteuerung wie Relais dar. Relais haben den großen Nachteil, dass sie festverdrahtet werden müssen, um eine bestimmte Funktion auszuführen. Dies bedeutet, dass bei einer Änderung der Anforderungen an das Motorsystem auch die Relaisverdrahtung geändert oder modifiziert werden muss. Mit ihren Programmierbarkeitsfunktionen haben SPSen einen Großteil der bei herkömmlichen relaisbasierten Motorsteuerschaltungen erforderlichen Festverdrahtung beseitigt.
Sobald ein Programm geschrieben und getestet wurde, ist es einfach, es auf andere SPSen herunterzuladen, die ähnliche Motoranwendungen betreiben. Da die gesamte Logik im Speicher der SPS enthalten ist, wird die Wahrscheinlichkeit von logischen Verdrahtungsfehlern eliminiert.
Wenn Fehler dennoch auftreten, sind SPS-basierte Anwendungen dank der integrierten Diagnose- und Übersteuerungsfunktionen der SPS einfach zu beheben, sodass Benutzer Probleme bei Software und Hardware leicht verfolgen und beheben können. Als Beispiel können Benutzer das Steuerprogramm auf einem Monitor anzeigen und seine Ausführung in Echtzeit beobachten. Die Fehlerbehebung wird auch durch Fehleranzeigen und Meldungen auf dem Bildschirm des Programmierers vereinfacht.
Aufgrund ihrer Programmierbarkeit bieten SPSen auch mehr Flexibilität. Bei einer SPS werden die Beziehungen zwischen den Ein- und Ausgängen vom Benutzerprogramm und nicht von der Art ihrer Verbindung bestimmt. Erstausrüster können das System aktualisieren, indem sie ein neues Programm senden, während Endnutzer das Programm vor Ort ändern können. Benutzer können auch zusätzliche Funktionsmodule und Sensoren hinzufügen, um die Flexibilität und Leistung eines SPS-basierten Motorsteuerungssystems zu verbessern. Zum Beispiel könnte ein Temperatursensor anzeigen, dass ein Prozess gekühlt oder erwärmt werden muss, und die SPS kann den Motor einschalten, um einen Lüfter zur Kühlung anzutreiben oder Konvektionswärme von einer Wärmequelle zu übertragen.
SPSen verfügen auch über hochentwickelte Kommunikationsfunktionen und können mit anderen Steuerungen oder Computerausrüstung kommunizieren. Dies ermöglicht es ihnen, Funktionen wie Regelung, Datenerfassung, Überwachung von Geräten und Prozessparametern sowie das Herunterladen und Hochladen von Programmen auszuführen. SPSen können darüber hinaus eine Vielzahl von Standard-Kommunikationsprotokollen verwenden.
Mit all diesen Vorteilen sind SPSen die ideale Lösung für Motorsteuerungsanwendungen. SPSen sind beständig, robust und einfach zu programmieren sowie äußerst zuverlässig und flexibel und bringen so eine fortschrittliche industrielle Motorsteuerung in Anlagen, ohne dass dafür ein vollständiges Automatisierungssystem verwendet werden muss. Mit eigenständiger Kapazität, aber mit der Flexibilität, mit anderen Geräten zu kommunizieren, sowie der Fähigkeit, Daten von einer Vielzahl von Sensoren zu erfassen, können SPSen für zahlreiche Motorsteuerungsanwendungen verwendet werden.
