Architektur einer SPS

Eine SPS ist eine Datenverarbeitungsplattform mit externen Schnittstellen für Ein- und Ausgänge. Im Gegensatz zu einem PC (der vielleicht nur ein paar Jahre Gesamtlaufzeit hat und regelmäßig neu gestartet werden muss) ist eine SPS speziell für industrielle Umgebungen und Anwendungen konzipiert und gebaut, bei denen eine Betriebszeit von 10 Jahren bei einem 24-Stunden-Betrieb an 7 Tagen in der Woche als normal gilt.

Der Aufbau einer SPS lässt sich in einige große Bereiche unterteilen:

• Eingang - Sensordaten und Kommunikationssignale. Die Eingänge können entweder analoge oder digitale Signale sein.
• Ausgang - Prozessbefehle und Kommunikationssignale (an andere vernetzte Geräte oder elektromechanische Geräte [wie Relais, Ventile, Motorantriebe oder Aktoren]).
• Prozessor und Speicher - wertet die eingehenden Daten aus und führt die Programmanweisungen aus.
• Stromversorgung - liefert die richtige Spannung, den richtigen Strom und die richtigen Leistungsanforderungen für die SPS.
• Anwendung / Programmierung / Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) - wie der Name schon sagt, ermöglicht die HMI dem Menschen eine einfache Interaktion mit der SPS, um die Bedingungen und den Betriebsstatus (der SPS) zu überprüfen. Außerdem kann die HMI verwendet werden, um die Programmierung der SPS zu aktualisieren. HMIs können von einer einfachen Tastatur bis hin zu einem Touchscreen-Display reichen.

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind die Basissteuerelemente für industrielle Systeme.

Umgebungsbedingungen

Aufgrund der industriellen Umgebungen, in denen SPSen am häufigsten eingesetzt werden, sind sie nach höheren Standards konstruiert als die meisten elektronischen Geräte für Verbraucher. Eine SPS muss konsistent und zuverlässig sein. Es handelt sich um geschäftskritische Komponenten. Jeder Ausfall einer SPS hat oft erhebliche Auswirkungen auf das Unternehmen, das sie betreibt.

Zu den wichtigsten Merkmalen, um diesen Umweltbedingungen standzuhalten, gehören:

• Schaltungskomponenten für hohe Betriebstemperaturen (geeignet für -40°C bis +85°C [-40°F bis 185°F]).
• Schutzlackierung auf Leiterplatten, um hoher Luftfeuchtigkeit und Feuchtigkeitsgehalt zu widerstehen.
• Staubfilter an allen Lüftereinlässen oder Kühlkörpern für passive Kühlung.
• Galvanische Isolierung an Ein-Ausgabe-Bausteinen und Überspannungsschutz in SPS-Schaltkreisen (zur Bewältigung unerwarteter Spannungsspitzen, z. B. beim Ein- und Ausschalten von Industrieanlagen).

Verbindung zum Netzwerk

SPSen fungieren häufig als Knotenpunkt für die Kommunikation innerhalb eines Werks und sind in letzter Zeit zu einem Kanal für die Weiterleitung von Informationen an Unternehmenssysteme (in der Cloud oder in der Unternehmenszentrale) geworden.

Quelle: Schnelles Erstellen von vernetzten intelligenten Feldinstrumenten mit umfassenden Lösungspaketen

Leiter-Diagramm (LD) / Relaislogik / Kontaktplanlogik

Bild aus der Einführung in die SPS-Programmiersprache

Das Leiter-Diagramm, auch als Kontaktplan, Kontaktplanlogik oder Relaislogik bekannt, ist eine weit verbreitete grafische Programmiersprache, die die ursprüngliche Relaislogik und die Schaltpläne nachahmt, die in der Prozesssteuerung verwendet wurden, bevor SPS-Geräte entwickelt wurden. LD eignet sich hervorragend für einfache Ein/Aus-Schnittstellen, logische Steuerungen und Sicherheitsverriegelungen und wird in der modernen SPS-Programmierung nach wie vor bevorzugt, da es einfach zu handhaben und logisch ist, da jede Sprosse des Leiter-Diagramms die Eingabe- und Steuergeräte von oben nach unten und von links nach rechts anzeigt.

Funktionsblockdiagramm (FBD)

Bild von Benutzerdefinierter Funktionsblock (UDFB) in einem Funktionsblockdiagramm (FBD) mit dem TIA-Portal von Siemens

FBD (FunktionsBlockDiagramm) ist eine grafische Programmiersprache für SPSen, die die funktionale Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsvariablen des Steuerungsprozesses beschreibt.

Die einzelnen Blöcke im grafischen Diagramm werden zur Darstellung verschiedener logischer Operationen oder Kodierungsfunktionen verwendet. Die von links nach rechts verlaufenden Verbindungen und Flusslinien zwischen diesen Blöcken zeigen den Weg, auf dem die Daten zwischen diesen Funktionen fließen. FBD eignet sich hervorragend für die Prozesssteuerung und PID-Regelschleifen (PID: Proportional-Integral-Differential), da die Funktionsblöcke und Schleifenpfade genau übereinstimmen.

Sequenzielles Funktionsdiagramm (SFC, Sequential Function Chart)

Bild aus der Einführung in die SPS-Programmierung mit SFC (Sequentielles Funktionsdiagramm) von Crouzet

Die Ablaufsprache SFC (Sequential Function Chart) ist eine grafische Programmiersprache für die SPS und eignet sich für Vorgänge, die mehrere Betriebszustände aufweisen oder Zustandsdiagramme erfordern. SFC kann wie ein Flussdiagramm aussehen, mit Kästchen, die Schritte (mit den erforderlichen Aktionen), Übergangsfunktionen (die den Prozessfluss zwischen den Schritten steuern) und Verzweigungen (wenn der Prozess in paralleler Reihenfolge ablaufen muss) darstellen. SFC eignet sich hervorragend für die Modellierung von Zustandsautomaten und Maschinenabläufen, da der Prozess mit logischen Steuereingängen und Operationen modelliert werden kann.

Strukturierter Text (ST)

Bild aus Aufbau eines benutzerdefinierten Funktionsblocks (UDFB) über strukturierten Text (ST) mit dem Siemens-TIA-Portal (TIA: Totally Integrated Automation)

ST (Strukturierter Text) ist eine textbasierte Programmiersprache für die Programmierung von SPSen, die gängigen Computerprogrammiersprachen wie C++ oder Pascal ähnelt. Aufgrund der Syntaxstruktur von ST und der Liste von High-Level-Programmieranweisungen ist die Implementierung von Codierschleifen, logischen Wertberechnungen und Datenverarbeitungsroutinen einfach zu bewerkstelligen, was es zu einem guten Ausgangspunkt für SPS-Programmierer macht, die über Erfahrungen in der traditionellen Computerprogrammierung verfügen.

Anweisungsliste (IL, Instruction List)

IL (Anweisungsliste) ist eine textbasierte Programmiersprache für SPSen. Als Low-Level-Codiersprache ähnelt IL einer Assembler-Programmiersprache mit direkten Betriebsanweisungen und Datenkontrollaktionen.

Seit der dritten Ausgabe der Norm IEC 61131-3 aus dem Jahr 2012 ist IL veraltet und wird nicht mehr für neue Projekte empfohlen. Aufgrund der langen Supportzeit von industrieller SPS-Hardware ist IL immer noch verfügbar und wird von einigen SPSen unterstützt. IL wird jedoch zunehmend durch andere, flexiblere Programmiersprachen abgelöst.

CODESYS

Eine Software-Entwicklungsumgebung (IDE - Integrated Development Environment), die IEC 61131-3 entspricht. Sie wird von mehreren verschiedenen SPS-Herstellern akzeptiert und ermöglicht es einem Entwickler, eine Entwicklungsumgebung zu nutzen, die nicht nur auf einem einzigen Hersteller basiert.

Andere Sprachen

Mit zunehmender Rechenleistung der SPSen werden immer mehr Programmiersprachen für die SPS-Programmierung verwendet (einschließlich C++ und Python). Diese flexiblen, modernen Sprachen fungieren als Zwischenschicht zwischen der SPS und anderen Anwendungen wie der Vernetzung mit PCs und anderen Workstations. Allerdings gibt es bei Echtzeitsteuerungsanwendungen auch Nachteile zu beachten (z. B. Redundanz und Lebenszykluskosten), wenn eine Sprache verwendet wird, die nicht der Norm IEC 61131-3 entspricht.

Motorsteuerung / Elektrische Motoren

Elektromotoren sind eine der einfachsten Anwendungen für die Bereitstellung von Rotationskraft für Lüfter, Pumpen oder Förderbänder.

Für die meisten Motoren sind zusätzliche Schaltungen und Komponenten erforderlich, z. B. Motortreiber für Gleichstrommotoren oder ein Frequenzumrichter (VFD) zur Steuerung großer Wechselstrommotoren.

Magnetspulen / Relais / Schütze

Elektromechanische Komponenten, die elektrischen Strom durch eine Spule leiten, um Bewegung zu erzeugen.

Eine Magnetspule besteht aus einer Drahtspule und einem beweglichen Kolben, der sich innerhalb der Spule befindet und auch Anker genannt wird. Wenn elektrischer Strom durch die Spule fließt, wird ein Magnetfeld erzeugt, das den Anker bewegt und elektrische Energie in mechanische Kraft umwandelt. Mit ihrer schnellen Reaktionszeit, ihrer kompakten Größe und ihrer einfachen Verwendung sind Magnetspulen eine beliebte Wahl in industriellen Anwendungen wie der Ventilsteuerung für Flüssigkeiten und Gase.

Ein Relais ist eine Komponente, die elektrische Signale mit geringer Leistung verwendet, um Stromkreise mit höherer Leistung zu steuern und zu schalten. Ein Relais besteht aus einer Drahtspule, die ein Magnetfeld erzeugt, und einem separaten Schaltkreis, der einen Stromkreis schließt, wenn das Magnetfeld erzeugt wird. Normalerweise können Relais bis zu einigen Ampere Strom und einige hundert Volt auf der Hochleistungsseite schalten, aber die genauen Leistungswerte hängen von der Komponente und der Anwendung ab. Die Einfachheit und das zuverlässige Design der Relais machen sie zu einer beliebten Wahl für Leistungsschaltungen in Industrie- und Automobilanwendungen.

Ein Schütz ist eine Komponente, die elektrische Signale mit geringer Leistung verwendet, um Stromkreise mit viel höherer Leistung zu steuern und zu schalten. Im Gegensatz zu Relais, die auf der Schaltseite einige Ampere Strom schalten, kann ein Schütz Dutzende oder Hunderte von Ampere Stromstärke und Tausende von Watt elektrischer Leistung schalten. Aufgrund ihrer robusten Bauweise und ihrer internen Komponenten werden die meisten Schütze bevorzugt zum Schalten von elektrischen Lasten mit hoher Leistung, wie z. B. Lüfter und Motoren, eingesetzt.

Elektrische Aktuatoren

Mechanische Positioniervorrichtungen, die in der Regel von einer rotierenden Bewegungsquelle wie einem Elektromotor angetrieben werden. Die Rotation wird dann durch mechanische Komponenten in eine lineare Bewegung umgewandelt. Dazu gehören:

• Kugelgewindetrieb mit Kugellagern zwischen der zentralen Welle und der Mutter für Anwendungen, die ein hohes Maß an Genauigkeit und Stabilität erfordern
• Spindelantrieb für Anwendungen, die kostengünstig und einfach sind 
• Riemenantrieb mit Zahnriemen für die Bewegung

Fluidtechnik (Pneumatik/Hydraulik)

Einige Automatisierungssysteme werden durch die Bewegung eines unter Druck stehenden Fluids angetrieben (dies können Gase wie Luft oder Flüssigkeiten wie Öl sein). Bei diesen Systemen handelt es sich um pneumatische (luftbetriebene) oder hydraulische (flüssigkeitsbetriebene) Komponenten, die schnell installiert werden können und entweder lineare oder rotierende Kraft an Geräte liefern.

Pneumatische (luftbetriebene) Systeme arbeiten in der Regel mit einem niedrigen Druck von 60 bis 120 PSI (etwa 4 bis 8 bar), der von einem Luftkompressor und einem entsprechend dimensionierten Lagertank erzeugt wird. Hydraulische (flüssigkeitsbetriebene) Systeme arbeiten mit einem viel höheren Druck von 800 bis 5000 PSI (etwa 55 bis 345 bar) und nutzen Öl als Arbeitsmedium. Produkte beinhalten:

• Greifer
• Kompressoren
• Verteiler
• Rohre/Schläuche

Indikatoren/Alarme

Es gibt verschiedene Geräte, die an Automatisierungssysteme angeschlossen werden können, um die Bediener über den Systemstatus und die Betriebsbedingungen zu informieren. Die einfachsten und direktesten sind Kontrollleuchten und akustische Alarme.

Die klassischen Signalsäulen können eine farbcodierte Statusleuchte bieten, die das Personal auf der Etage über den Betriebszustand der Maschine informiert oder darüber, ob es Fehler gibt, die behoben werden müssen. Während es sich bei einigen um einfache Anzeigelampen handelt, sind andere Signalsäulen vernetzte Endgeräte, die ferngesteuert werden können oder Nachrichten über ein Netzwerk senden.

Audiokomponenten wie Summer, Lautsprecher oder andere Tonerzeuger können auch zur Anzeige des Maschinenstatus verwendet werden, um die Aufmerksamkeit in einer lauten Werkshalle zu wecken.

Druck

Drucksensoren können die Höhe des Drucks (von Gasen oder Flüssigkeiten) messen. Dies geschieht in der Regel, um einen sicheren und effizienten Betrieb innerhalb eines Systems zu gewährleisten. Es gibt verschiedene Arten von Drucksensoren, die sich durch unterschiedliche Messmethoden auszeichnen. Einige der häufigsten sind:

• Relativdrucksensor - Druck wird relativ zum aktuellen örtlichen Luftdruck gemessen
• Absolutdrucksensor - Misst den Druck relativ zu einem perfekten Vakuum
• Differenzdrucksensor - Misst die Druckdifferenz zwischen zwei Druckpunkten, typischerweise zwischen zwei Behältern

Fotoelektrische Sensoren

Fotoelektrische Sensoren können das Vorhandensein eines Objekts feststellen (oder eine Entfernung messen), indem sie die Veränderungen eines gesendeten Lichtstrahls messen. Wenn der Lichtstrahl unterbrochen wurde (Lichtschranke), kann auf ein Objekt geschlossen werden, und es können Maßnahmen ergriffen werden.

Laufzeit- (Time-of-Flight, ToF) und Entfernungssensoren sind ähnlich, obwohl sie den Lichtstrahl nicht nur senden, sondern auch wieder empfangen. Durch die Messung der Zeit, die ein Lichtstrahl benötigt, um von einem Objekt reflektiert zu werden, kann eine Entfernungsmessung vorgenommen werden.

Näherungssensoren

Näherungssensoren können die Anwesenheit und den Abstand zu Objekten erkennen, ohne sie zu berühren. Nützlich für die Objekterkennung bei Sicherheitsverriegelungen und zur Überprüfung des Vorhandenseins von Objekten (für die Qualitätskontrolle).

Im Folgenden sind einige gängige Methoden genannt, nach denen Näherungssensoren arbeiten:

• Induktiv - durch die Erkennung von Veränderungen im sich schnell ändernden elektromagnetischen Feld, das vom Sensor nach außen projiziert wird, kann ein induktiver Sensor das Vorhandensein von eisenhaltigen (Eisen) und nicht eisenhaltigen (nicht auf Eisen basierenden) Metallobjekten erkennen.
• Kapazitiv - wenn sich ein metallisches oder nichtmetallisches Objekt dem kapazitiven Sensor nähert, unterbricht es das elektrostatische Feld und verursacht eine Kapazitätsänderung.
• Magnetisch - das Vorhandensein eines magnetischen Feldes, das sich der Sensorfläche nähert, kann durch die Änderung des Ausgangs von GMR-Sensoren (Giant Magneto Resistive) oder Resonanzkreisen erkannt werden, was nützlich ist, um zu erkennen, wenn sich ein bekanntes Objekt wie eine Sicherheitstür oder ein Werkzeugkopf nähert.

Temperatur

Beispiel-Bildtext

Temperatursensoren messen die thermischen Bedingungen und die lokale Temperatur im Prozess. Dies kann für Steuerung und Überwachung genutzt werden sowie zur Vermeidung von Überhitzung und thermischem Durchgehen. Temperatursensoren können entweder durch Kontakt und Änderung der elektrischen Eigenschaften oder durch Messung der abgegebenen Infrarotenergie arbeiten.

Distanz

Beispiel-Bildtext

Die Bestimmung des Abstands zwischen einem Sensor und einem Objekt (entweder stationär oder in Bewegung) ist in der modernen Fabrik von großer Bedeutung. Unbemannte Fahrzeuge (AMRs) und andere Roboterplattformen können dadurch navigieren und sicherstellen, dass der Arbeitsbereich frei von jeglichen Hindernissen ist.

• Ultraschall: Ein Sender sendet einen kurzen Impuls aus hochfrequenten Schallwellen aus. Wenn dieser Schallimpuls auf ein Objekt trifft, wird ein Teil der Schallwellen zum Empfänger reflektiert. Eine häufige Anwendung für Ultraschallsensoren ist die berührungslose Messung des Flüssigkeitsstands in einem Tank.
• Radar: Ähnlich wie Ultraschall senden Radarsensoren kurze Impulse aus Hochfrequenzenergie aus und messen die Entfernung anhand der Zeit, die das an einer Oberfläche reflektierte Signal zur Rückkehr benötigt. Anstelle von Schallwellen werden beim Radar Mikrowellen verwendet.
• Lidar: Durch schnelles Drehen einer Lichtquelle (z. B. eines Lasers) und die Berechnung der Zeit, die das Licht benötigt, um zum Empfänger zurückzukehren, kann die Entfernung der reflektierenden Oberfläche vom Lidar-Sensor ermittelt werden. Ähnlich wie Radar ermöglicht es eine hohe Genauigkeit.

Rotation

Die Geschwindigkeit einer sich drehenden Welle oder die Position eines Schiebers kann mit einem Drehgeber gemessen werden. Ein Drehgeber ist ein elektromechanisches Gerät, das die Position oder Bewegung einer Welle oder Achse in analoge oder digitale Ausgangssignale umwandelt.

Kraft- und Druckmessdosen

Druckmessdosen wandeln Kräfte (wie Gewicht, Druck, Zug oder Drehmoment) in messbare Signale um. Wenn sich die aufgebrachte Kraft ändert, ändert sich das Ausgangssignal proportional dazu. Druckmessdosen werden häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt, um die Gewichtskapazität zu kontrollieren, Produkte zu vermessen oder Gewichtsveränderungen im Laufe der Zeit zu verfolgen.

Aufsichtsbehörden

• Occupational Safety and Health Administration (OSHA) - US-amerikanische Regierungsbehörde innerhalb des US-Arbeitsministeriums, die Vorschriften zur Sicherheit am Arbeitsplatz festlegt, um Arbeitnehmer zu schützen und Arbeitsunfälle zu vermeiden
• Underwriter Labs (UL) - globale Organisation, die elektronische Produkte auf Qualität und Sicherheit prüft und zertifiziert.
• National Electrical Manufacturers Association (NEMA) - Verband für elektrische Geräte, der Sicherheitsstandards veröffentlicht.
• Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) - dies ist eine internationale Normungsorganisation, die internationale Normen für alle elektrischen, elektronischen und verwandten Technologien ausarbeitet und veröffentlicht.

Sicherheitsintegritätsstufe (SIL)

Die Sicherheitsintegritätsstufe (SIL, Safety Integrity Level) ist ein Begriff der funktionalen Sicherheit für den Grad der Risikominderung durch Sicherheitseinrichtungen. Auf der Grundlage der Norm IEC 61508 gibt es vier SIL-Stufen, wobei Stufe 1 die niedrigste und Stufe 4 die höchste Sicherheitsstufe darstellt.

Für eine SPS kann dies bedeuten, Fehler zu erkennen, einen sicheren Zustand zu erhalten und den zertifizierten Betrieb aufrechtzuerhalten.

Leistungsstufe (PL)

Die Leistungsstufe (PL, Performance level) wird verwendet, um die Wahrscheinlichkeit zu definieren, dass Produkte sicher funktionieren (und somit gefährliche Ausfälle vermieden werden). PLe ist die geringste Wahrscheinlichkeit eines gefährlichen Ausfalls (0,000001% bis 0,00001% Wahrscheinlichkeit).

Produkte

Sicherheitslichtvorhänge sind optoelektronische Geräte, die zum Schutz von Personen vor gefährlichen Maschinen eingesetzt werden. Sie erzeugen eine unsichtbare Barriere aus Infrarotstrahlen zwischen einem Sender- und einem Empfängerpaar. Wenn ein Strahl unterbrochen wird, sendet das System ein Signal, um die Maschine sofort anzuhalten.

Anwesenheitsmatten sind druckempfindliche Sicherheitsvorrichtungen, die in der Nähe gefährlicher Maschinen auf dem Boden liegen. Wenn sie betreten werden, erkennen sie die Anwesenheit einer Person und lösen ein Steuersignal aus, in der Regel, um den Maschinenbetrieb zu stoppen oder zu verhindern.

Sicherheitsverriegelungen sind mechanische oder elektrische Vorrichtungen, die den Betrieb von Maschinen unter unsicheren Bedingungen verhindern. Sie werden in der Regel an beweglichen Schutzeinrichtungen, Türen oder Zugangsklappen installiert, um den Betrieb zu verhindern, wenn sie geöffnet oder falsch ausgerichtet sind, und sind in das Steuerungssystem einer Maschine integriert.

Not-Aus-Schalter sind manuell betätigte Sicherheitsvorrichtungen und mechanische Schalter, die dazu dienen, Maschinen oder Anlagen im Falle einer Gefahr sofort anzuhalten.

Sperrvorrichtungen sind physische Sicherheitsvorrichtungen, die dazu dienen, Schalter zu isolieren und die versehentliche Inbetriebnahme von Maschinen oder Anlagen während der Wartung, Reinigung oder Reparatur zu verhindern. Sie sind ein zentraler Bestandteil der Lock-Out-/Tag-Out-Verfahren (LOTO), die von der OSHA gemäß der Norm 29 CFR 1910.147 vorgeschrieben sind.

Laserscanner sind kontaktlose Schutzvorrichtungen, die mithilfe von Laserstrahlen bestimmte Bereiche überwachen. Wenn eine Person oder ein Objekt in einen geschützten Bereich eindringt, sendet der Scanner ein Signal, um Maschinen in der Nähe zu stoppen und Verletzungen oder Schäden zu verhindern.