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Grundwissen SPS-Technik
1.1 Historie
SPS steht für Speicherprogrammierbare Steuerung (engl. Programmable Logic Controller PLC).Mit der Betonung der Programmierbarkeit und der Ablage eines Programms in einem (Programm-)Speicher werden die Hauptmerkmale der Technik bereits im Namen festgeschrieben: Die Steuerungen selbst sind flexibel und universell für die verschiedensten Aufgaben einzusetzen, die aktuelle Funktion selbst wird mit einem Programm festgelegt. Der Part „Steuerung“ im Namen besagt nicht, dass diese Technik keine Regelungsaufgaben übernehmen kann. SPS ist die dominierende Automatisierungstechnik für breiteste Aufgaben außerhalb der speziellen CNC- und Roboterwelt, wobei die Grenzen zunehmend fließend sind. Die erste Speicherprogrammierbare Steuerung wurde 1970 in Chicago für eine Werkzeugmaschinevorgestellt. 1973 erschienen erste Applikationen in Deutschland. Im Zeitraum 1975 bis 1985, spätestens bis 1990 vollzog sich der grundsätzliche Übergang von den verbindungsprogrammierten Steuerungen (VPS) 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 Vorteile der SPS-Technik wie Flexibilität, geringerer Platzbedarf, höhere Zuverlässigkeit, geringere Kosten, Möglichkeit der Vernetzung mit anderen Systemen, Möglichkeiten für Fehlerdiagnose und Fernwartung der Programme und hauptsächlich der schnelle Funktionswechsel durch Programmänderung setzten sich durch. Verbindungsprogrammierte Steuerungen müssen bei jeder Änderung im Steuerungsablauf hardwareseitig umgebaut werden, was heute nicht mehr konkurrenzfähig ist. Auf der Aktorenseite sind bei der Anschaltung von Schützen Restfelder verdrahteter Steuerungen zumeist im Rahmen von Hilfskontakt- Schützen erhalten geblieben. Weiter gibt es sicherheitsrelevante Fälle, welche Festverdrahtung verlangen und bei denen es sogar verboten ist, sie per Standard- SPS zu steuern. Für solche Zwecke können heute allerdings spezielle fehlersichere SPS verwendet werden. Das bekannteste und weitverbreiteste SPS-System ist Simatic S7 der Siemens AG mit den Baureihen S7-200 mit der Software Step7MicroWin und S7-300 sowie S7-400 mit Software Step7. Daneben gibt es eine Vielzahl anderer Hersteller. Die Systeme sind zueinander nicht kompatibel! Kompatibilität entsteht, wenn sich Hersteller bei der Entwicklung von Programmiersystemen hardwareunabhängig an die Norm IEC 61131- halten. Mit derartigen Systemen entstehen Programme, die auf verschiedensten Hardware-Plattformen laufen ( z.B. CoDeSys Automation Alliance).
1.2 Grundsätzliche Struktur und Baugruppen von SPS
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.
Bild 1.2 zeigt, dass eine SPS in minimaler Ausführung immer aus Eingabeeinheit, Verarbeitungseinheit und Ausgabeeinheit besteht ( EVA -Prinzip ). Vielfältige Zusatzbaugruppen sind möglich.
1.3 Programmbearbeitung, Prozess-Abbilder und Mehrfachzuweisungen
Bild 1.3: Schematische Darstellung wesentlicher Hardwarekomponenten einer SPS und Probleme der Mehrfachzuweisungen bei zyklischer Programmbearbeitung Hinsichtlich des Datenspeichers und der Programmsyntax orientiert sich die Darstellung an Simatic S7.
Aktuelle SPS-Technik unterscheidet drei Formen der Bearbeitung des Anwenderprogramms.
- zyklische Programmbearbeitung (Bild 1.4):
Standard , niedrigste Priorität, angewendet z.B. für Ablaufsteuerungen, Verriegelungen, Grenzwertüberwachungen, langsame Zähler, allgemeine Aufgaben Die zyklische Programmbearbeitung wird bei Step7 durch den Organisationsbaustein OB1 bewirkt.
Der Standard-Zyklus einer SPS:
Bild 1.4: Schema des Zyklus einer SPS
Die Zykluszeit der SPS ist die Zeit für die Abarbeitung eines Zyklus einschließlich aller Kommunikationsaufgaben. Sie ist abhängig von der Rechenzeit für das Programm, also abhängig von der Zahl der Anweisungen. Höherpriorisierte Tasks unterbrechen den Zyklus und verlängern damit die Zykluszeit. Für eine Ermittlung der Rechenzeit stellen die Hersteller Werte zur Verfügung: z.B. CPU 214: für 1000 AWL- Befehle 0,8 ms Die Zykluszeit wird überwacht. Überschreitet sie eine einstellbare Zyklusüberwachungszeit (typisch 150 ms), so geht die CPU in Stopp.
- zeitgesteuerte (zeitzyklische) Programmbearbeitung mittlere Priorität, angewendet z.B. für regelungstechnische Funktionen, zeitkritische Binärverarbeitungen Die zeitgesteuerte Programmbearbeitung wird bei Step7 durch Organisationsbausteine für Uhrzeit- und Weckalarme (z.B. OB10, OB35) bewirkt. Bei der zeitgesteuerten Programmabarbeitung muss die Zykluszeit bestimmt werden, damit zeitgesteuerte Programmaufrufe und Rechenzeiten nicht kollidieren. Die Rechenzeit sollte maximal 70-80 % der zugewiesenen Zykluszeit betragen. Werden mehrere höher priorisierten Task’s aufgerufen, sollte die Rechenzeitreserve der zeitzyklischen Task entsprechend erhöht werden. Bei regelungstechnischen Anwendungen sollte die Zykluszeit z.B. mindestens um den Faktor 5 kleiner sein als die Summenzeitkonstante des geschlossenen Regelkreises. - ereignisgesteuerte Programmbearbeitung höchste Priorität, vergleichbar mit Interrupt, angewendet z.B. für ausgewählte, besonders zeitkritische Prozesse. Für die Auswertung von Ereignissen des Prozesses benötigt man spezielle interruptfähige Binäreingangskarten (höherer Preis!). Die (interne) ereignisgesteuerte Programmbearbeitung wird bei Step7 durch Fehlerbausteine (z.B. OB86: Ausfall eines DP-Slave) bewirkt.
- Multitasking Im Zusammenhang mit der Bearbeitung umfangreicher Programme und bei zeit- und ereignis- gesteuerter Programmbearbeitung werden Programmteile als Task bezeichnet (Task engl. für Aufgabe, Prozess, in Anspruch nehmen). Ein Task ist der aktuell wirksame Teil des Anwenderprogramms zur Laufzeit, organisiert z.B. durch Zeitschlitze oder Prioritäten. Programmsteuerung durch Task stellt zumeist eine Alternative zur zyklischen Programmbearbeitung dar. Einige Task's vom Betriebssystem können von der Anwendersoftware nicht beeinflusst werden (Funktionen des Betriebssystems – z.B. Kommunikation mit der Programmierschnittstelle oder die Task des Windows-Betriebssystems. Es ist zu beachten, dass bei Zugriff auf die Daten einer anderen Task u. U. nicht alle Daten aus dem gleichen Zyklus stammen. Wird das Anwenderprogramm in mehrere Task unterteilt, dann muss sichergestellt werden, dass die zur Verfügung stehende Rechenzeit nicht überschritten wird. Von der Gesamtrechenzeit muss die Systemzeit des Betriebssystems abgezogen werden.
Beispiel: Task 1 Zykluszeit 20 ms, Rechenzeit 10 ms Task 2 Zykluszeit 50 ms, Rechenzeit 30 ms Systemzeit ca. 5 % Die eingestellten Zykluszeiten können nicht eingehalten werden (Echtzeitfehler!). Task2 kann nur alle 100 ms aufgerufen werden!
1.4 Signale, Daten und Speicher
Automatisierung bedeutet immer auch Signalverarbeitung. Signale sind Träger von Informationen aus dem zu automatisierenden Prozess. Nach der Verarbeitung wird mit Signalen über Stellglieder in den Prozess eingegriffen. Aus der Sicht der Datenverarbeitung übertragen Signale Daten des Prozesses, und die Automatisierungseinrichtungen vollziehen eine Datenverarbeitung. Daten stehen für Informationen und Werte. Dies erfordert die exakte Festlegung von Datenformaten. neben binären Signalen von Schaltelementen und digitalen Signalen (z.B. von Encodern) liegen analoge Signale in Form von Spannung, Strom, Druck, Lichtintensität, Temperatur u. andere vor. Für die Automatisierungseinrichtungen werden sie zu genormten Signalen (überwiegend Strom oder Spannung) gewandelt und digitalisiert. Primär wird die Information von Signalen durch Amplitude, Frequenz oder Form des Signals dargestellt, in der Digitaltechnik ausschließlich durch eine Anzahl von Bits. Die CPU von Automatisierungsgeräten verarbeiten ausschließlich binäre und digitale Signale (Daten). Dazu müssen diese auf bestimmten Speicherplätzen abgelegt werden und über deren Adressen verfügbar sein.
Für diese Aufgaben haben sich zwei Methoden entwickelt:
- Die Speicherplätze müssen vom Anwender selbst mit Byte- und Bitadresse adressiert werden ( absolute oder direkte Adressierung ). Dies gilt z.B. für das System Simatic S / S7 für den Merker- und Datenbaustein-Bereich. Anstelle der absoluten Adressen kann der Anwender für jedes Datum ein Symbol definieren. Die symbolische Adressierung ist der absoluten Adressierung vorzuziehen!
- Das System adressiert seinen Datenspeicher selbst. Hier muss. der Anwender für alle Signale (Daten) Variablen deklarieren. Durch das Anlegen von Variablen mit zugeordnetem Datentyp werden die erforderlichen Speicherplätze reserviert. Variablen wirken wie Platzhalter für die Daten im Datenspeicher. Diese Adressierung erfolgt beispielsweise im System CoDeSys und wird nach IEC 61131-3 vorgeschrieben. Einzelheiten sind nachfolgenden Abschnitten zu entnehmen.
1.4.1Datenhaltung
Eine Besonderheit des Systems Simatic S7 gegenüber der Norm IEC 61131 ist die Pflicht des Programmierers, globale Daten selbst zu adressieren. Dazu stehen unterschiedliche Speicherbereiche zur Verfügung. Weiter erfolgt bei Simatic S7 die Einbindung von Ein- und Ausgangssignalen in ein Programm nicht durch Legen von Variablen auf Adressen, sondern durch Ansprechen der Werte in den Prozessabbildern PAE und PAA mit den Operanden E und A und deren Adressen. Der Begriff der Variablen und die Variablendeklaration spielen deshalb in Step7 nicht die zentrale Rolle wie in IEC- Programmiersystemen.
Bild 1.6: Regeln der Adressierung im System Simatic
In gleicher Weise werden Eingänge und Ausgänge als Bit, Bit, Wort und Doppelwort angesprochen.
Beispiele : E 22.0; EB 22; EW 22; ED 22 A 40.2; AB 40; AW 40; AD 40
1.5 Die klassischen Programmiersprachen
Mit der Entwicklung der SPS-Technik wurden zuerst drei Programmiersprachen eingeführt: Anweisungsliste (AWL), Funktionsplan (FUP) und Kontaktplan (KOP)
Die AWL ist eine zeilen- und textorientierte Sprache. Der Anwender muss die Syntax der Befehle selbst kennen, d.h. er kann nicht aus einer Liste von Befehlen „per Mausklick“ auswählen. In AWL können Aufgaben effizient, elegant und individuell gelöst werden. Eine (maximal ausgeführte) Anweisung besteht aus
Beispiel 1: MARK: UN E 2.0 //Abfrage Lichtschranke
oder mit Symbolvereinbarung: Lichtschranke ÅÆ E2.
Beispiel 2: MARK: UN “Lichtschranke“
Beispiel 3: LD Lichtschranke (Abfrage Lichtschranke, Lichtschranke ist eine Variable vom Typ BOOL)
Die Sprungmarke erlaubt optional, diese Anweisung von anderer Stelle des Programms aus zu erreichen. In den Beispielen 1 und 2 ist der Name der Sprungmarke „MARK“.
Der Operator sagt aus, was getan werden soll. In den Beispielen werden die Operatoren UN bzw. LD verwendet. Der Operand sagt aus, womit dieses getan werden soll. Der Kommentar hat kein Auswirkungen auf das Programm und wird auch nicht zur Hardware übertragen.
2. Binäre Steuerungen und Boolesche Algebra
2.1 Übersicht
Binäre Steuerungen zeichnen sich durch ihre Beschränkung auf Bitoperationen aus. Sie verarbeiten ausschließlich Bitsignale. Alle Variablen sind vom Typ BOOL. Systeme der binären Signalverarbeitung heißen auch logische Netzwerke. Diese enthalten logische Funktionen. Je nachdem ob die logischen Netzwerke innere Signalspeicher enthalten oder nicht, werden sie unterschieden:
- Kombinatorische Netzwerke = Schaltnetze = Verknüpfungssteuerungen ohne Speicher Sie enthalten keine inneren Speicher und keine Rückführungen von Ausgangssignalen auf Eingänge. Als Folge sind die Ausgangssignale eindeutig eine logische Funktion (Kombination) allein der Eingangssignale.
- Sequentielle Netzwerke = Schaltwerke = Verknüpfungssteuerungen mit Speicher Sie enthalten innere Speicher und / oder Rückführungen von Ausgangssignalen auf Eingänge. Als Folge sind die Ausgangssignale nicht mehr eindeutig nur eine logische Funktion (Kombination) der Eingangssignale, sondern hängen auch noch vom Zustand der Ausgangssignale bzw. der inneren Speicher ab.
Binäre Steuerungen wurden mit unterschiedlichsten Techniken realisiert:
- mit pneumatischen und hydraulischen Schaltgliedern
- Elektrisch mit Kontakt-Schaltelementen, Logikbaugruppen und schließlich mit programmierbaren Baugruppen
Grundsätzlich haben pneumatische und hydraulische Steuerungen deutlich an Bedeutung verloren. Hingegen besitzen die pneumatischen und hydraulischen Aktoren und Stellglieder weiterhin eine große Bedeutung. Durchgesetzt haben sich auch in der binären Steuerungstechnik programmierbare Steuerungen , da sie bereits für kleinere Aufgaben mit nur wenigen Verknüpfungen wirtschaftlich sind. Binäre Steuerungstechnik auf Basis von Relais und Schützen wird seit Beginn der Elektrotechnik praktiziert. Bereits hier wurden die logischen Grundfunktionen definiert. Da die Realisierung einer logische Funktion wie z.B. eines UND-Gliedes durch Relais nicht zu vernachlässigende Kosten verursacht, wurde durch Anwendung der Boolschen Algebra und Minimierungsverfahren versucht, die Logik von jedweder Redundanz zu befreien. Jedes eingesparte Relais bedeutete geringere Kosten. Die Boolesche Algebra (Schaltalgebra) ist eine mathematische Beschreibung für die Beziehungen zwischen logischen Variablen, die nur zwei Zustände annehmen können. Ähnlich wie in der Algebra existieren ein Kommutativ-, Assoziativ- und Distributiv-Gesetz für das Ausklammern und Tauschen von Termen mit Variablen. Bei programmierbarer Technik hat die Einsparung einer Anweisung nur in Sonderfällen Auswirkungen! Der Speicherplatz für einige Anweisungen mehr oder weniger fällt im Allgemeinen nicht ins Gewicht. Deshalb haben heute die Minimierungsverfahren wie auch die Boolesche Algebra an Bedeutung verloren. Es gibt aber weiterhin Sonderprobleme, wo Logik entwickelt und minimiert werden muss.
Ein Beispiel der Booleschen Algebra von besonderem Interesse ist das DeMorgan- Theorem : Danach liefert die Negation eines Terms das gleiche Ergebnis wie die alternative Verknüpfung der einzeln negierten Signale. Mit dem Theorem kann man beispielsweise eine UND-Verknüpfung gegen eine ODER-Verknüpfung austauschen
Das Beispiel des DeMorgan Theorems macht deutlich, dass Boolesche Algebra durchaus zur Einsparung von Schaltgliedern führen kann und in bestimmten Fällen Schließerkontakte gegen Öffnerkontakte getauscht werden können. Die hierbei benutzten Glieder NAND und NOR waren Basis verschiedener Transistor- Logik-Familien und galten deshalb historisch ebenfalls als logische Grundfunktionen
Nachfolgender Auszug der AWL Referenzliste von CoDeSys zeigt die IEC-Operatoren für Logische Verknüpfungen:
Das Programmieren binärer Logik erfolgt nach folgendem Grundschema:
- Laden der ersten Variablen (des ersten Operanden) in den Akkumulator mit den Operationen LD oder LDN (bei Step7 mit U oder UN). Dieser Schritt wird auch als Erstabfrage bezeichnet.
- Nach jeder logischen Verknüpfung steht das Ergebnis wieder im Akkumulator.
- Ausgabe des Akkumulatorinhaltes in die gewünschte Variable (den gewünschten Operanden) mit der Zuweisung (=) bei Step7.
Größere Schaltnetze können mit Speicherschaltkreisen realisiert werden. Die Kombination der möglichen Eingangssignale wird als Adresse interpretiert, und der Schaltkreis gibt die gewünschte Kombination von Ausgangssignalen aus.
Beispiel: Die Belegung der Sensoren 2#1 0 0 von Zeile 4 der Schalttabelle müsste als Adresse für eine Speicherzelle dienen, von der dann die Belegung 2# 0 1 für die Lüfter K1 und K ausgegeben wird. Es ist ersichtlich, dass sich dieses Verfahren nur bei Schaltnetzen mit einer Vielzahl von Eingangs- und Ausgangssignalen loht. 5.4 Speicherfunktionen Um Schaltwerke (sequentielle Netzwerke) zu realisieren, benötigt man zusätzlich zu den logischen Funktionen auch Speicherelemente. In der Technik werden dazu R-S-Flip- Flop verwendet. Diese werden auch als bi- stabile Funktionsblöcke bezeichnet.
Das Ein- und Ausschalten des Speicherelementes erfolgt durch Setzen und Rücksetzen. Unabhängig vom Setzsignal bleibt ein einmal gesetzter Ausgang solange auf Wert TRUE, bis er zurückgesetzt wird.
Auch Speicher wurden ursprünglich durch Kontaktschaltungen realisiert. Das entscheidende Element ist hierbei der Selbsthaltekontakt , welcher eine Selbsthaltung der Relaisspule ermöglicht. Wenn des Setz- und das Rücksetzsignal gleichzeitig anstehen, entscheidet die Art der Schaltung, ob dominierend gesetzt oder dominierend zurückgesetzt wird. Mehr als 95% aller Anwendungsfälle der Automatisierungstechnik verlangen ein dominierendes AUS (Rücksetzen). In der aktuellen SPS-Technik gibt es für die Realisierung von Speicherfunktionen die Operationen Setzen (S) und Rücksetzen (R).
S Setzt den Operanden (Typ BOOL) auf TRUE, wenn der Akkumulatorinhalt TRUE ist. R Setzt den Operanden (Typ BOOL) auf FALSE, wenn der Akkumulatorinhalt FALSE ist.
Je nachdem, ob Setzen vor oder nach dem Rücksetzen programmiert wird, entstehen durch Wirkung der zyklischen und seriellen Programmbearbeitung die dominierenden Eigenschaften!
Hinweis : Drahtbruchsichere Programmierung: (hierzu Übersicht Realisierung von Speicherelementen auf nachfolgender Seite) „Drahtbruchsichere Programmierung“ bedeutet Vorkehrungen zu schaffen, dass
- ein unterbrochener Leiter zwischen Aus-Befehlsgeber und SPS einen Aus-Befehl bewirkt
- ein unterbrochener Leiter zwischen Ein-Befehlsgeber und SPS einen Ein-Befehl verhindert.
Nach VDE-Vorschriften muss deshalb
- ein Einschaltbefehl durch Schalten eines Arbeitsstromes gegeben werden
- ein Ausschaltbefehl durch Unterbrechung eines Ruhestroms gegeben werden, d.h. durch FALSE-Signal. In der Praxis erfolgt dies überwiegend durch Betätigung eines Tasters mit Öffnerkontakt. Das Rücksetzen erfolgt nur bei Wert TRUE am Eingang RESET (bzw. bei Step7 mit Verknüpfungsergebnis VKE=1 am Eingang R. Deshalb muss in den allermeisten Fällen das Rücksetzsignal über eine Negation angeschaltet werden!
