Kapitel 2: Fragen und Antworten

• Hardware-SPS mit Einsteckkarten in einem Schaltschrank oder Gehäuse
• Slot-SPS ist eine Einsteckkarte für einen Desktop-PC, die alle Module einer SPS enthält
• Soft-SPS als reine Software, die komplett auf der CPU eines PCs läuft
• Edge-Controller sind Steuerungen, die ihre Daten als IoT-Geräte meist drahtlos in die Cloud übertragen.
• IoT-Gateways sammeln nur Prozessdaten und leiten sie durch ein IoT-Protokoll (wie z. B. OPC-UA oder MQTT) an die Cloud weiter.
• Hochverfügbare SPSen erhöhen die Verfügbarkeit, indem sie, wenn eine Komponente ausfällt, auf eine redundante Komponente umschalten, die die Aufgaben der ausgefallenen Komponente übernimmt
• Fehlersichere SPSen erreichen eine erhöhte Sicherheit, indem die Aufgaben von der redundanten Komponente parallel ausgeführt wird. Nur wenn beide Komponenten die gleichen Ergebnisse ermitteln, darf die Anlage weiterlaufen, ansonsten wird die Anlage von der SPS abgeschaltet, d. h. in den sicheren Ruhezustand versetzt

Die Informationsverarbeitung in einer SPS verläuft zyklisch. Die Verarbeitungsschritte lassen sich vereinfacht mit dem EVA-Prinzip beschreiben:

• Einlesen der Sensordaten,
• Verarbeiten der Informationen im SPS-Programm und
• Ausgeben der Stellsignale an die Aktoren.

• Binäre Eingänge lesen Eingangsstromsignale ein, die durch ein RC-Filter von überlagertem Rauschen entstört werden. Bei Schalterprellen beispielsweise erzeugt das RC-Filter an seinem Ausgang eine gemittelte Spannung. Diese wird durch einen Optokoppler an eine Triggerstufe übertragen, die das gemittelte Signal eindeutig einem High- oder Low-Zustand zuordnet.
• Binäre Ausgänge verfügen auch über Optokoppler zur galvanischen Trennung. Darüber hinaus sorgen Signalverstärker zusammen mit einem Transistor für die Anpassung an den 24- V-Pegel, denn bei einem TRUE-Signal schließt der Transistor den Stromkreis und versorgen z.B. einen Motor und bei einem FALSE-Signal öffnet er den Stromkreis und schaltet den Motor damit aus.
• Die analoge Eingangsbaugruppe führt für jeden Kanal eine Analog-/Digital-Umwandlung des Eingangsstroms durch. Der digitalisierte Messwert wird nach der galvanischen Trennung als 16-Bit-Datenwort im Eingabeabbild des Arbeitsspeichers abgelegt.
• Zur Ansteuerung eines analogen Stellgliedes, wie z. B. des kontinuierlich verstellbaren Regelventils, gibt die SPS den berechneten Stellwert über einen analogen Ausgangskanal aus. Auch hier führt die Baugruppe eine galvanische Trennung und dann eine Digital-/Analog-Umwandlung durch, um ein Strom- oder Spannungssignal für den Aktor zu erzeugen.

Impulssignale mit hohen Frequenzen werden durch Encoder-Eingangsbaugruppen eingelesen, die elektronische Zähler in ihrer Hardware eingebaut haben und direkt den Zählwert im Eingabeabbild der SPS speichern

Schrittmotoren werden durch schnelle Pulsausgangskarten angesteuert. Bei PTO-Ausgängen (Pulse Train Outputs) gibt die SPS die Frequenz des Taktsignals vor. Je höher die Frequenz umso schneller dreht sich der Schrittmotor. Der PTO-Ausgang erzeugt in seiner Elektronik ein Taktsignal mit der vorgegebenen Frequenz.

Für jedes Signal sind mindestens zwei oder vier Leitungen vom Feldgerät zur SPS zu verlegen. Räumlich benachbarte Einzelleitungen von den Feldgeräten in Feldverteilern zu jeweils einem Stammkabel zusammengefasst und im Schaltraum durch einen Rangierverteiler für die verschiedenen E/A-Kanaltypen (BE, AE etc.) funktional umsortiert.

Trennverstärker realisieren eine galvanische Trennung der Stromkreise zwischen Sensor und SPS. Eigensichere Trennverstärker versorgen die Feldgeräte in explosionsgefährdeten Anlagenteilen mit begrenzten Strömen und Spannungen, so dass die Energie, die zu den Feldgeräten übertragen wird, nicht ausreicht, um einen Funken zu erzeugen und eine Explosion auszulösen.

Voraussetzung für eine Feldbusankopplung ist, dass die Feldgeräte über einen Mikrocontroller mit busfähiger Schnittstelle verfügen, der das Busprotokoll abarbeitet und den Datenaustausch mit den anderen Busteilnehmern realisieren kann.

• Einsparung von Kabeln zwischen Anlage und Schaltraum,
• geringerer Montage-/Planungsaufwand,
• Platzeinsparung im Schaltraum,
• Übertragung zusätzlicher Geräteinformation (Grenzwerte, Zustände, Störmeldungen, Betriebszeiten etc.),
• höhere Auflösung der Messwerte,
• zentrale Diagnosemöglichkeit (Fehlersuche von der Leitwarte aus),
• zentrale Konfigurierung der Bussysteme am PC,
• dezentrale Intelligenz (Rechenoperationen, wie z. B. Dosieren, im Gerät) und
• geringerer Nachrüst-/Änderungsaufwand

• Profibus: Beim Master/Slave-Verfahren stellen die SPS den Master und die Feldgeräte die Slaves dar. Dabei darf grundsätzlich nur der Master die Kommunikation anstoßen. Slaves antworten nur auf Anforderung des Masters. Die SPS kommuniziert im Polling-Betrieb nacheinander und zyklisch mit jedem Slave.
• Profinet: Die SPS als  IO-Controller schaltet in einem vorgegebenen Takt über einen Switch die Verbindung zu den Feldgeräten, die IO-Devices genannt werden. Während dieser kurzzeitig bereitgestellten Verbindung sendet bzw. empfängt die SPS ihre Daten von dem jeweiligen Feldgerät. Wie im Polling-Betrieb schaltet der Switch dann die Verbindung zwischen der SPS von einem Feldgerät zum nächsten. Nicht in Echtzeit zu übertragende Daten an die HMI oder das Programmiergerät (IO-Controller) werden ggf. im Switch zwischengespeichert, um Telegramme mit Echtzeitdaten vorzulassen. So können Nachrichten mit hoher Priorität schneller übertragen werden als solche mit niedrigerer Priorität
• Ethercat: Hierbei wird nur ein Telegramm mit bis zu 1486 Bytes per Broadcast vom Master an die Slaves gesendet und von Slave zu Slave weitergereicht. Jeder Slave nimmt dabei die an ihn adressierten Daten auf und schreibt die von ihm geforderten Daten in das Telegramm. Danach gelangt das Telegramm wieder an den Master, der die Daten aufnimmt und das Telegramm aktualisiert. Die Auswertungszeit der Teilnehmer wird überwacht, um die determinierte Zykluszeit sicherzustellen

Die Visualisierungsoberfläche einer SPS erlaubt es,

• den Aufbau der Anlage grafisch darzustellen,
• außerdem Textmeldungen als Alarme oder Bedienhinweise anzuzeigen und
• den zeitlichen Verlauf von Messsignalen aufzuzeichnen.

• NS: Ein/Aus-Motor, NC: Drehzahlgeregelter Motor,
• YS: Auf/Zu-Ventil, YC: Regelventil,
• LSL: Niveauschalter, der bei unterem Grenzwert schaltet,
• LZAH: Niveauschalter mit Notabschaltung und Alarm an oberer Grenze,
• TICR: Temperaturregler mit Aufzeichnung des Temperaturverlaufs,
• FQISH: Durchflussmengensensor mit Abschaltung bei oberem Grenzwert.

Der Datenaustausch zwischen HMI und SPS erfolgt über ein Client-Server-Modell. Ein Server ist ein Programm, das die Daten ausgewählter SPS-Variablen zyklisch zur Verfügung stellt, ohne sich darum zu kümmern, wer diese Daten verwendet. Die aktuellen Werte der SPS-Variablen werden als Items bezeichnet. Ein beliebiger Client kann auf diese Items zugreifen, um sie z. B. in einer HMI zu visualisieren

Bei der sogenannten Target-Visualisierung arbeiten HMI-Client und Server zusammen mit einer Soft-SPS im Zielsystem.

Bei der PC-Visualisierung greift der HMI-Server von einem PC aus auf die SPS-Variablen einer Hardware-SPS zu. Der HMI-Client kann die Items über Ethernet vom Server lesen bzw. beschreiben.

Bei einer Webvisualisierung läuft der Web-Server in der SPS. Die Web-Clients tauschen dann Daten zyklisch mit dem Webserver aus, so dass die Anlage, weltweit im Webbrowser eines PCs, Tablets oder Smartphones bedient und beobachtet werden kann.