Kapitel 2: Fragen und Antworten
Das Kernstück der SPS ist die CPU sie beinhaltet:
- Mikroprozessor (führt das Programm aus)
- RAM (hier ist das Programm abgespeichert)
- EEPROM (hier ist das Betriebssystem gespeichert)
- Power Supply (Spannungsversorgung)
- Schnittstelle (serielles Kabel oder Ethernet)
Außerdem gibt es die Ein-/Ausgangskarten zum Einlesen von Sensorinformationen und zum Ausgeben von Befehlen an die Aktoren.
Neben internen Daten- und Adressbussen zum Datenaustausch zwischen den Hardwaremodulen kann eine SPS über serielle Schnittstellen an ein Programmiergerät (PG) oder an eine andere SPS, ein Visualisierungssystem oder über Feldbus auch an die Feldgeräte angekoppelt werden.
- Schrank-SPS (klassische Aufbauform)
- Slot-SPS (Einsteckkarte für den PC)
- Soft-SPS (reine Software auf dem PC).
Die Informationsverarbeitung in einer SPS verläuft zyklisch. Die Verarbeitungsschritte lassen sich vereinfacht mit dem EVA-Prinzip beschreiben:
- Einlesen der Sensordaten über die SPS-Eingangskanäle,
- Verarbeiten der Informationen im SPS-Programm und
- Ausgeben der Stellsignale an die Aktoren über die SPS-Ausgangskanäle.
In der klassischen Verdrahtungstechnik werden Feldgeräte durch 2 oder 4 Leitungen mit der SPS verbunden, durch die Gleichstromkreise aufgebaut werden. Die dabei übertragenen Stromsignale stellen Messsignale der Sensoren oder Stellsignale an die Aktoren dar.
Jedes einzelne Kabel muss an die SPS im Schaltschrank angeschlossen werden. Dazu werden von den räumlich benachbarten Sensoren und Aktoren in der Anlage, die Kabel über einen Feldverteiler in ein Stammkabel zusammengeführt. Diese werden dann in einem Rangierverteiler erneut aufgelegt und geordnet. Der Trennverstärker wird für eine galvanische Trennung von explosionsgefährdeten Bereichen genutzt, bevor die Leitungen direkt an die SPS angeschlossen werden.
Eine binäre Eingangskarte kann zwischen einem hohen und einem niedrigen Pegel der anliegenden Eingangsspannung unterscheiden. Sie wird von einer 24 V Gleichspannung (DC) versorgt. wird ein binärer Sensor aktiviert, schließt er im Allgemeinen einen Schalter im Eingangsstromkreis der Eingangskarte. Es liegt also - innerhalb gewisser Toleranzen - ein Spannungspegel von 24V am Eingangskanal an, dagegen bei geöffnetem Schalter ein Spannungspegel von 0V. Diese Spannung wird durch ein nachfolgendes RC-Filter von Spannungsspitzen befreit. Das Filter dient auch zur Verzögerung des Eingangssignals, um Störungen durch Schalterprellen zu unterdrücken. Weiterhein gewährleistet die binäre Eingangskarte eine galvanische Trennung des Eingangskanals von der restlichen Verarbeitungselektronik, damit keine Ausgleichsströme zwischen dem Sensor und dem Steuerkreis fließen und die Informationsverarbeitung verfälschen. Schließlich wird die resultierende Spannung durch einen Schwellwertschalter (Triggerstufe) in ein High- (5V) bzw. Low-Signal (0V) verwandelt. Bei einem High-Signal von 5V interpretiert die Elektronik die binäre Information als TRUE, bei einem Low-Signal von 0V dagegen als FALSE.
Binäre Ausgangskarten erzeugen aus den Bool?schen Ausgangsvariablen mit TRUE-/FALSE-Werten ein Spannungssignal von 5V bzw. 0V. Die Ausgangskarten verfügen ebenso wie die Eingangskarten über Optokoppler zur galvanischen Trennung. Darüber hinaus sorgen Signalverstärker zusammen mit einem Transistor für die Anpassung an den 24V-Pegel, denn bei einem TRUE-Signal schließt der Transistor den Stromkreis und bei einem FALSE-Signal öffnet er ihn. Dieser Stromkreis wird von einer externen Spannungsversorgung i.d.R. mit 24V DC gespeist.
Strom- und Spannungsgebende Sensoren werden im Allgemeinen über zwei Leitungen auf den entsprechenden Kanal einer Analogeingangsbaugruppe geführt. Die analoge Eingangskarte führt für jeden Kanal eine Analog-/Digitalumwandlung der anliegenden Eingangsspannung UE durch. Der digitalisierte Messwert wird dann beispielsweise als 16-Bit-Datenwort im Eingangsabbild des Arbeitsspeichers abgelegt. Je nach Bedarf gibt es Karten mit 10-, 12-, und 16-Bit Auflösung.
Zur Ansteuerung eines analogen Stellgliedes, wie z.B. des kontinuierlich verstellbaren Regelventils, gibt die SPS den berechneten analogen Stellwert über eine Analogausgangsbaugruppe aus. Auch hier führt die Karte eine galvanische Trennung und dann eine Digital-/Analogumwandlung durch, um ein Strom- oder Spannungssignal für den Aktor zu erzeugen.
Voraussetzung für eine Feldbusankopplung ist, dass die Feldgeräte über einen Mikrocontroller mit busfähiger Schnittstelle verfügen.
Eine dezentrale Peripherie (DP) ermöglicht es, auch nicht busfähige Feldgeräte anzuschließen, was auch als Remote-I/O-System bezeichnet wird. Im Grunde verfügt das Remote I/O-System nämlich einerseits über die E/A-Karten, die früher zentral im SPS-Schrank steckten, und andererseits über eine Feldbusschnittstelle, die eine Busverbindung zur SPS ermöglicht
Die wichtigsten Vorteile der Feldbustechnik sind:
- Einsparung von Kabeln zwischen Anlage und Schaltraum,
- Übertragung zusätzlicher Geräteinformation (Grenzwerte, Zustände, Alarme, Betriebszeiten, etc.),
- zentrale Diagnosemöglichkeit (d.h. Fehlersuche von der Leitwarte aus),
- dezentrale Intelligenz (kleiner Rechenoperationen, wie z.B. Dosieren, im Gerät),
- Platzeinsparung im Schaltraum,
- geringerer Montage-/Planungsaufwand,
- geringerer Nachrüst-/Änderungsaufwand und
- zentrale Konfigurierung der Bussysteme am PC.
Der Datenaustausch erfolgt durch das Master-Slave Verfahren im Polling Betrieb. Nur der Master darf die Kommunikation anstoßen. Slaves antworten nur auf Anforderung des Masters.
Der Aufbau der Telegrammtypen umfasst folgende Informationen:
<Startbyte, Quelladresse, Zieladresse, Steuerbyte, Daten, Prüfbyte, Endebyte>
Im Steuerbyte wird unterschieden, ob es sich um einen Send-, Request-, Response- oder Acknowledge-Telegramm handelt. Da stets nur der angesprochene Slave Daten senden darf, kann erst dann eine neue Abfrage erfolgen, wenn der Master die gewünschten Daten erhalten hat. Aus diesem Grund muss die SPS die Feldgeräte nacheinander jeweils durch das besprochene Master-/Slave-Verfahren ansprechen. Diese zyklische Anwahl der Feldgeräte durch den Master heißt Polling-Verfahren (to poll, engl. wählen).
Prozessvisualisierungssysteme ermöglichen:
- Bedienung und Beobachtung des Prozesses und seiner Geräte.
Darüber hinaus ermöglichen Prozessleitsysteme:
- Meldung und Alarmierung von Störungen,
- Protokollierung und Archivierung von Messwerten,
- Auswertung und Optimierung von Prozesszuständen.
Ein/Aus-Motor: NS
Auf/Zu-Ventil: YS
Durchflussmengenzähler: FQIS
Temperaturregler: TIC
Niveauschalter: LS
Die in den SPSen verarbeiteten Prozessdaten werden in einem OPC-Server, der auf einem PC läuft, zur Verfügung gestellt. Ein OPC-Client kann die Daten vom Server abfragen, um sie z. B. zu visualisieren oder für einen Qualitätsnachweis zu verwenden.
Das Visualisierungsprogramm einer ABK kann nun als OPC-Client auf den OPC-Server einer SPSen zugreifen. Für den OPC-Server ist es dabei ohne Belang, welche Anwendung auf seine Daten zugreift. Er stellt einfach seine Daten zur Verfügung, und ein beliebiger Client kann sie nutzen. Die Schnittstelle für den OPC-Client ist standardisiert. Sie legt fest
- von welchem Server
- welche Daten
- gelesen und/oder überschrieben
werden sollen.
Speicherprogrammierbare Steuerungen für die Fabrik- und Prozessautomation
4. Auflage erschienen im Hanser Verlag, 2015