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Speicherprogrammierbare Steuerungen
Im englischen Sprachraum spricht man von einer PLC (Programmable Logic Controller) und im deutschsprachigen Raum von einer SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung). SPS ist die dominierende Automatisierungstechnik für breiteste Aufgaben ausserhalb der speziellen CNC- und Roboterwelt, wobei die Grenzen zunehmend fliessend sind.
In der neuen Serie technischer Fortschritt möchte ich aufzeigen, wie innovative Fortschritte in Wissenschaft und Technik dazu beitragen das Klima zu schützen und unseren Wohlstand wie auch unsere Wohlfahrt zu erhöhen.
Ich möchte damit aufzeigen, dass es für einen wirksamen Klimaschutz keine generellen Verbote braucht, sondern Investitionen in neue, saubere Technologie.
Den grundsätzlich gilt: Alles was wenig Ressourcen verschwendet, ist effizient und alles, was effizient ist, ist auch wirtschaftlich sinnvoll. In meinen Augen gibt es somit keinen Grund unsere liberalen Werte über Bord zu werfen.
Die erste Speicherprogrammierbare Steuerung wurde 1970 in Chicago für eine Werkzeugmaschine vorgestellt. 1973 erschienen erste Applikationen in Deutschland. Im Zeitraum 1975 bis 1985, spätestens bis 1990 vollzog sich der grundsätzliche Übergang von den verbindungsprogrammierten Steuerungen (VPS, siehe unten) mit Relais und Schützen und danach auch von fest verdrahteter 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 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.
Die Versorgungsspannung von SPS-Systemen ist heute überwiegend DC 24 V. Daraus
werden für die CPU intern DC 5V bereitgestellt. Für analoge Signale sind +/-10V
gebräuchlich. 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, das heisst. auf schnelle Bit-, Byte- und Wortverarbeitung,
wobei die vorzugsweise Adressierung von Byte oder Wort bei unterschiedlichen SPS
auch unterschiedlich sein kann.
Warum sind SPS-Steuerung wichtig für den Fortschritt?
SPS-Steuerungen sind ein Grundelement der jahrelangen Automatisierung der Industrie.
Ich gehe aber davon aus, dass den meisten Politikern der Begriff SPS-Steuerung völlig unbekannt ist.
Um dem entgegen zu wirken, durchackere ich hier die Grundlagen der SPS-Technik.
Die Automatisierung hat als Ganzes viel zum Wohlstand der westlichen und asiatischen Industriestaaten beigetragen. Prozesse können akribisch genau geplant und optimiert werden. Es ist auch immer häufiger möglich Maschinen über die Nacht und sogar über das Wochenende laufen zu lassen und so die Produktivität pro Arbeitsplatz massiv zu erhöhen. Sehr vorteilhaft ist insbesondere, dass Arbeiter von monotonen und ungesunden Arbeiten befreit werden.
VPS
Verbindungsprogrammierte Steuerungen (VPS) sind quasi die Vorgänger der SPS. Bei einer VPS wird die Steuerungslogik mithilfe von Verdrahtung der Relais realisiert.
Vorteile und Nachteile einer SPS gegenüber einer VPS
Vorteile
- Geringerer Stromverbrauch.
- Weniger Abwärme.
- Mehr Flexibilität.
- Verschleissfrei.
- Möglichkeit für Fernwartung.
- Schneller Fehleranalyse.
- Weniger Platzverbrauch.
- In der Regel kostengünstiger.
- Zuverlässiger.
Nachteile
- Höherer Ausbildungsstand des Personals ist erforderlich.
- Fehlersuche nur mit Programmiergerät möglich.
- Aufwändigeres Sicherheitskonzept notwendig.
- Zusätzliche Infrastruktur notwendig (Programmiergeräte, Datensicherung etc.).
CPU
Die Zentraleinheit besteht aus einem RAM Speicher, in dem das fertige Anwenderprogramm gespeichert wird. Die CPU ist der eigentliche Mikroprozessor, der die Signalverarbeitung bzw. Verknüpfung der digitalen Signale durchführt. Dabei fragt der Adressenzähler den Programmspeicher Anweisung für Anweisung nacheinander ab und überträgt die Daten vom Programmspeicher in das Anweisungsregister. Als Register bezeichnet man alle Speicherbausteine eines Prozessors. Das Steuerwerk erhält seine Anweisungen vom Anweisungsregister. Während einer Bearbeitung einer Anweisung durch das Steuerwerk, schiebt der Adresszähler die nächste Anweisung in das Anweisungsregister.
Eingänge / Ausgänge
Eingänge werden überwiegend über Optokoppler galvanisch vom Prozess entkoppelt und mittels Tiefpässen gefiltert. Beim Anschalten von Signalgebern ist zu beachten, dass mehrere Eingänge häufig ein gemeinsames Massepotential besitzen.
Digitale Ausgangsbaugruppen haben meist kontaktlose Ausgänge mit Transistoren mit 24V Ausgangsspannung und typisch 500mA Strombelastbarkeit, oder Baugruppen mit Relaisausgang. Grundsätzlich ist die Versorgungsspannung an die Baugruppen heranzuführen, teilweise auch über Baugruppensicherungen. Bei kontaktlosen Ausgängen ist die Notwendigkeit einer galvanischer Trennung besonders wichtig.
Analoge Eingangsbaugruppen 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.
Analoge Ausgangsbaugruppen enthalten Digital-Analog-Umsetzer (DAU). Diese wandeln digitale Ausgangsworte in genormte analoge Signale wie 4 .. 20mA,
Zykluszeit
Ein wesentliches Kennzeichen einer SPS ist die über das Betriebssystem gesteuerte zyklische Programmbearbeitung. Das Programm wird sequentiell durchlaufen und immer wieder von neuem abgearbeitet. Innerhalb einer vorgegebenen Zeit muss ein Zyklus durchlaufen worden sein. Typische Zykluszeiten liegen im Bereich von rund 100 ms.
Sämtliche moderne CPU verfügen über Schnittstellen für gängige Bussysteme (Ethernet, Powerlink, Profibus/Profinet etc.).
HMI
HMI steht für Human Machine Interface und bezeichnet die Bedienelemente einer Maschine. Die meisten Hersteller setzten auf Touch-Panels (wie im Bild) während Schalter, Knöpf und andere mechanische Bedienelemente der Vergangenheit angehören. Lediglich sicherheitsrelevante Bedienelemente wie der Not-Stopp oder der Hauptschalter werden mechanisch betätigt.
Die Benutzeroberfläche (User Interface) kann nach belieben programmiert und gestaltet werden. Wichtig ist vor allem eine übersichtliche Struktur, logische Anordnung der Elemente und vor allem klare und verständliche Rückmeldungen im Fehlerfall oder bei einer sicherheitsrelevanten Situation. Fehlermeldungen ohne einen verständlichen Text sind unbrauchbar!
Programmiersprachen in der SPS Technik
Die Norm IEC 61131-3 ist ein internationaler Standard für Programmiersprachen von speicherprogrammierbaren Steuerungen. Sie beinhaltet die folgenden 5 Programmiersprachen.
Kontaktplan - KOP
Grafische Programmiersprache.
Englisch: Ladder Diagram (LD).
KOP ist sehr ähnlich wie ein Stromlaufplan und ist deshalb vor allem für Elektriker/innen relativ einfach zu erlernen. Generell ist das Beheben von Störungen einfacher als mit anderen Programmiersprachen.
Funktionsplan - FUP
Grafische Programmiersprache.
Englisch: Function Block Diagram (FBD).
FUP ist eher ähnlich wie ein Elektronik-Schaltplan und entsprechend auch für Elektroniker/innen einfach zu erlernen.
S7 Graph
Grafische Programmiersprache.
Englisch: Sequential Function Charts (SFC).
Der S7 Graph gilt als äusserst übersichtlich.
Anweisungsliste - AWL
Textorientierte Programmiersprache.
Englisch: Instruction List (IL).
Der Vorteil von AWL liegt in der Kompaktheit der Sprache, aber genau diese Kompaktheit macht es für Anfänger extrem schwer diese Sprache zu erlernen.
Structured Control Language - SCL (Strukturierter Text - ST)
Textorienterte Programmiersprache.
Structured Text (ST).
SCL gleicht am ehesten der Hochsprache Pascal, entsprechend ist sie vor allem für Hochsprachenprogrammier/innen leicht zu erlernen.
SCL bietet mehr Strukturierungsmöglichkeiten als AWL und löst diese daher immer mehr ab. Vor allem mathematische Funktionen lassen sich deutlich schneller und übersichtlicher programmieren.
Hersteller
Siemens
Siemens ist ein Technologie-Mischkonzern, welcher am 1. Oktober 1847 in Berlin gegründet wurde und aktuell rund 385000 Mitarbeiter beschäftigt. Es handelt sich um eine Aktiengesellschaft (ISIN: DE0007236101).
B&R
B&R ist ein Automatisierungstechnik-Konzern, welcher 1979 gegründet wurde und aktuell mehr als 3000 Mitarbeiter beschäftigt. Es handelt sich um eine GmbH.
ABB
ABB ist ein Energie- und Automatisierungstechnik-Konzern, welcher am 8. Februar 1988 gegründet wurde und aktuell rund 147000 Mitarbeiter beschäftigt. Es handelt sich um eine Aktiengesellschaft (ISIN: CH0012221716).
Beckhoff
Beckhoff ist ein Elektrotechnik-Konzern, welcher 1980 gegründet wurde und aktuell rund 4300 Mitarbeiter beschäftigt. Es handelt sich um eine GmbH & Co. KG.
WAGO
WAGO ist ein Verbindungs- und Automatisierungs-Konzern, welcher 1951 gegründet wurde und aktuell rund 8500 Mitarbeiter beschäftigt. Es handelt sich um eine GmbH & Co. KG.
Rockwell Automation
Rockwell Automation ist ein Automatisierungstechnik-Konzern, welcher 1903 gegründet wurde und aktuell rund 22500 Mitarbeiter beschäftigt. Es handelt sich um eine Corporation.