Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS): Grundlagen, Typen & Anwendungen

Was ist eine SPS?

PLC steht für „Programmable Logic Controller“. Eine SPS ist ein Computer, der speziell für den zuverlässigen Betrieb unter rauen industriellen Umgebungen wie extremen Temperaturen, nassen, trockenen und/oder staubigen Bedingungen entwickelt wurde. SPS werden verwendet, um industrielle Prozesse wie das Fließband eines Fertigungswerks, eine Erzaufbereitungsanlage oder eine Kläranlage zu automatisieren.,

SPS teilen viele Funktionen des PCS, den Sie zu Hause haben. Beide verfügen über ein Netzteil, eine CPU (Zentraleinheit), Ein-und Ausgänge (E/A), Speicher und Betriebssoftware (obwohl es sich um eine andere Betriebssoftware handelt).

Die größten Unterschiede bestehen darin, dass eine SPS diskrete und kontinuierliche Funktionen ausführen kann, die ein PC nicht ausführen kann, und eine SPS ist viel besser für raue industrielle Umgebungen geeignet. Eine SPS kann als „robuster“ digitaler Computer angesehen werden, der die elektromechanischen Prozesse eines industriellen Umfelds verwaltet.,

SPS spielen im Automatisierungsbereich eine entscheidende Rolle, da sie Teil eines größeren SCADA-Systems sind. Eine SPS kann entsprechend der betrieblichen Anforderung des Prozesses programmiert werden. In der verarbeitenden Industrie wird aufgrund der Änderung der Art der Produktion eine Neuprogrammierung erforderlich sein. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wurden SPS-basierte Steuerungssysteme eingeführt. Wir werden zuerst die Grundlagen der SPS besprechen, bevor wir uns verschiedene Anwendungen von SPS ansehen.

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PLC Basics

SPS wurden 1964 von Dick Morley erfunden. Seitdem hat PLC den Industrie-und Fertigungssektor revolutioniert. Es gibt eine breite Palette von SPS-Funktionen wie Timing, Zählen, Berechnen, Vergleichen und Verarbeiten verschiedener Analogsignale.

Der Hauptvorteil der SPS gegenüber einem „fest verdrahteten“ Steuerungssystem besteht darin, dass Sie eine SPS nach der Programmierung zu geringen Kosten (nur die Kosten für die Programmierzeit) ändern können., In einem fest verdrahteten Steuerungssystem müssen Sie im Wesentlichen Kabel herausreißen und von vorne anfangen (was teurer ist und länger dauert). Schauen wir uns ein Beispiel an, um diesen Vorteil besser zu verstehen.

Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Licht an einen Schalter angeschlossen. Im Allgemeinen arbeitet das Licht unter zwei Bedingungen – EIN und AUS. Jetzt haben Sie die Aufgabe, dass beim Einschalten des Schalters das Licht erst nach 30 Sekunden leuchten sollte. Mit diesem fest verdrahteten Setup stecken wir fest. Der einzige Weg, dies zu erreichen, besteht darin, unsere Schaltung vollständig neu zu verkabeln, um ein Zeitrelais hinzuzufügen., Das ist eine Menge Ärger für eine kleine Änderung.

Hier kommt eine speicherprogrammierbare Steuerung ins Bild, die keine zusätzliche Verkabelung und Hardware benötigt, um eine Änderung sicherzustellen. Vielmehr erfordert es eine einfache Änderung des Codes, Programmierung der SPS, um das Licht nur 30 Sekunden nach dem Einschalten des Schalters einzuschalten. Durch die Verwendung einer SPS ist es einfach, mehrere Ein-und Ausgänge zu integrieren.,

Dies ist nur ein einfaches Beispiel – eine SPS kann viel größere und komplexere Prozesse steuern. Eine SPS kann je nach Anwendung und Bedarf des Benutzers angepasst werden.

Wie Funktioniert eine PLC arbeit?

Das Arbeiten einer speicherprogrammierbaren Steuerung kann leicht als zyklisches Abtastverfahren verstanden werden, das als Abtastzyklus bezeichnet wird.,

Ein SPS-Scanvorgang umfasst die folgenden Schritte

• Das Betriebssystem startet den Zyklus und die Überwachung der Zeit.
• Die CPU beginnt mit dem Lesen der Daten vom Eingangsmodul und prüft den Status aller Eingaben.
• Die CPU startet die Ausführung des in Relay-ladder logic oder einer anderen SPS-Programmiersprache geschriebenen Benutzer-oder Anwendungsprogramms.
• Als nächstes führt die CPU alle internen Diagnose-und Kommunikationsaufgaben aus.,
• Entsprechend den Programmergebnissen schreibt es die Daten in das Ausgabemodul, so dass alle Ausgaben aktualisiert werden.
• Dieser Vorgang wird fortgesetzt, solange sich die SPS im Run-Modus befindet.

Physikalische Struktur der SPS

Die Struktur einer SPS ähnelt fast der Architektur eines Computers.

Speicherprogrammierbare Steuerungen überwacht kontinuierlich die eingangswerte von verschiedenen eingang sensing geräte (zB, beschleunigungsmesser, Waage,fest verdrahtete Signale usw.) und produziert entsprechende Produktion in Abhängigkeit von der Art der Produktion und Industrie. Ein typisches Blockdiagramm der SPS besteht aus fünf Teilen, nämlich:

• Rack oder Chassis
• Power Supply Module
• Central Processing Unit (CPU)
• Input & Output Module
• Communication Interface Module

Rack oder Chassis

In allen SPS-Systemen bildet das SPS-Rack oder-Chassis das wichtigste Modul und fungiert als rückgrat des Systems. SPS sind in verschiedenen Formen und Größen erhältlich., Wenn komplexere Steuerungssysteme beteiligt sind, erfordert es größere PLC-Racks.

Kleine SPS ist mit einer festen E/A-Pin-Konfiguration ausgestattet. Sie haben sich also für eine modulare Rack-SPS entschieden, die verschiedene Arten von E/A-Modulen mit gleitendem und passendem Konzept akzeptiert. Alle E/A-Module befinden sich in diesem Rack / Chassis.

Stromversorgungsmodul

Dieses Modul wird verwendet, um die erforderliche Leistung für das gesamte SPS-System bereitzustellen., Es wandelt die verfügbare Wechselstrom in Gleichstrom um, die von der CPU und dem E/A-Modul benötigt wird. PLC arbeitet im Allgemeinen an einer 24V DC Versorgung. Die SPS verwendet eine isolierte Stromversorgung.

CPU Modul und Speicher

CPU modul hat eine zentrale prozessor, ROM & RAM speicher. ROM-Speicher enthält ein Betriebssystem, Treiber und Anwendungsprogramme. RAM-Speicher wird zum speichern von Programmen und Daten. CPU ist das Gehirn der SPS mit einem oktalen oder sechseckigen Mikroprozessor.

Als Mikroprozessor – basierte CPU ersetzt es Timer, Relais und Zähler., Zwei Arten von Prozessoren als einzelnes Bit oder Textverarbeitungsprogramm können mit einer SPS integriert werden. Ein Bitprozessor wird verwendet, um logische Funktionen auszuführen. Während Textverarbeitungsprogramme zur Verarbeitung von Text, numerischen Daten, Steuerung und Aufzeichnung von Daten verwendet werden.

CPU liest die Eingangsdaten von Sensoren, verarbeitet sie und sendet schließlich den Befehl an Steuergeräte. DC-Stromquelle, wie in der vorherigen Diskussion erwähnt wird Spannungssignale erforderlich. Die CPU enthält auch andere elektrische Teile zum Anschließen von Kabeln, die von anderen Einheiten verwendet werden.,

Eingangs – und Ausgangsmodul

Haben Sie jemals darüber nachgedacht, wie Sie physikalische Parameter wie Temperatur, Druck, Durchfluss usw. erfassen können? mit SPS? Natürlich verfügt die SPS über ein exklusives Modul zur Anbindung von Ein-und Ausgängen, das als input & output module bezeichnet wird.

Eingabegeräte können entweder Start-und Stopp-Taster, Schalter usw. sein, und Ausgabegeräte können eine elektrische Heizung, Ventile, Relais usw. sein. Das E / A-Modul hilft bei der Schnittstelle von Ein-und Ausgabegeräten mit einem Mikroprozessor. Das Eingangsmodul der SPS wird in der folgenden Abbildung erläutert.,

The input module of PLC does four main functions.,

1. Eingangsmodulschnittstelle empfängt das Signal von Prozessgeräten bei 220 V AC
2. Wandelt das Eingangssignal in 5 V DC um, das von SPS verwendet werden kann
3. Isolatorblock wird verwendet, um SPS zu isolieren/zu verhindern Schwankung
4. Danach wird das Signal an das Ausgabeende gesendet, dh die SPS

Es gibt zwei Hauptabschnitte im Eingangsmodul, nämlich den Leistungsabschnitt und den logischen Abschnitt. Beide Abschnitte sind elektrisch voneinander getrennt. Der Druckknopf ist zunächst geschlossen., So wird der Brückenkreis durch die Widerstände R1 und R2 mit 220 V AC versorgt.

Ein Brückengleichrichter (wie ein Diodenbrückengleichrichter) wird verwendet, um das Wechselstromsignal in DC umzuwandeln, und eine Zenerdiode wird verwendet, um eine Niederspannungsversorgung der LED bereitzustellen. Wenn das Licht von LED auf den Fototransistor fällt, funktioniert es im Leitungsbereich. Schließlich wird dem Prozessor eine 5V DC-Versorgung gegeben.

Das Ausgangsmodul der SPS arbeitet ähnlich wie das Eingangsmodul, jedoch im umgekehrten Prozess. Es verbindet die Ausgangslast und den Prozessor., Hier wäre also der erste Abschnitt Logic Session und der Power-Abschnitt kommt als nächstes. Die Funktionsweise des Ausgangsmoduls ist in der folgenden Abbildung dargestellt

Wenn hier das hohe Signal der Programmlogik vom Prozessor erzeugt wird, schaltet sich die LED ein und lässt das Licht auf einen Fototransistor fallen. Wenn der Transistor in den Leitungsbereich geht, erzeugt er einen Impuls zum Gate des Triac., Der Isolatorblock wird verwendet, um den Logikabschnitt und den Steuerabschnitt zu isolieren.

Kommunikationsschnittstellenmodul

Zum Übertragen von Informationen zwischen CPU und Kommunikationsnetzwerken werden intelligente E / A-Module verwendet. Diese Kommunikationsmodule helfen, sich mit anderen SPS und Computern zu verbinden, die an einem entfernten Ort platziert sind.

Arten von SPS

Die beiden Haupttypen von SPS sind feste / kompakte SPS und modulare SPS.

Compact PLC

In einem einzigen Fall gäbe es viele Module. Es verfügt über eine feste Anzahl von E/A-Modulen und externen E / A-Karten., Es ist also nicht in der Lage, die Module zu erweitern. Jede Ein-und Ausgabe würde vom Hersteller entschieden.

Modulare SPS

Dieser SPS-Typ ermöglicht eine mehrfache Erweiterung durch „Module“, also modulare SPS. E / A-Komponenten können erhöht werden. Es ist einfacher zu verwenden, da jede Komponente unabhängig voneinander ist.,

PLC in drei Arten unterteilt werden basierend auf die Produktion nämlich Relais-Ausgang, Transistor Ausgang, und Triac Ausgang PLC. Der Relaisausgangstyp ist am besten für AC-und DC-Ausgabegeräte geeignet. Transistorausgangstyp PLC verwendet Schaltvorgänge und wird in Mikroprozessoren verwendet.

Je nach physikalischer Größe ist eine SPS in Mini -, Micro-und Nano-SPS unterteilt.,

Einige der Hersteller von SPS umfassen:

• Allen Bradley
• ABB
• Siemens
• Mitsubishi PLC
• Hitachi PLC
• Delta PLC
• General Electric (GE) PLC
• Honeywell PLC

PLC Anwendungen

SPS haben eine vielzahl von anwendungen und anwendungen, einschließlich:

1. Prozessautomatisierungsanlagen (z.B., bergbau, Öl &Gas)
2. Glasindustrie
3. Papierindustrie
4. Zementherstellung
5. In Kesseln – Wärmekraftwerken

SPS-Programmierung

Bei der Verwendung einer SPS ist es wichtig, je nach Anwendungsfall Konzepte zu entwerfen und umzusetzen. Dazu müssen wir zunächst mehr über die Besonderheiten der SPS-Programmierung erfahren.

Ein SPS-Programm besteht aus einem Satz von Anweisungen in textlicher oder grafischer Form, die die Logik darstellen, die den Prozess steuert, den die SPS steuert., Es gibt zwei Hauptklassifikationen von SPS-Programmiersprachen, die weiter in viele unterklassifizierte Typen unterteilt sind.

1. Textsprache
   • Befehlsliste
   • Strukturierter Text
2. Grafische Form
   • Leiterdiagramme (LD) (dh Leiterlogik)
   • Funktionsblockdiagramm (FBD)
   • Sequentielles Funktionsdiagramm (SFC)

Obwohl alle diese SPS-Programmiersprachen zum Programmieren einer SPS verwendet werden können, grafische Sprachen (wie Leiterlogik) werden typischerweise Textsprachen (wie strukturierte Textprogrammierung) vorgezogen.,

Leiterlogik

Leiterlogik ist die einfachste Form der SPS-Programmierung. Es wird auch als „Relaislogik“bezeichnet. Die in relaisgesteuerten Systemen verwendeten Relaiskontakte werden mittels Leiterlogik dargestellt.
Die folgende Abbildung zeigt ein einfaches Beispiel für ein Leiterdiagramm.

Im obigen Beispiel werden zwei Drucktasten verwendet, um die gleiche Lampenlast zu steuern. Wenn einer der Schalter geschlossen ist, leuchtet die Lampe.,

Die beiden horizontalen Linien werden Sprossen und die beiden vertikalen Linien Schienen genannt. Jede Sprosse bildet die elektrische Verbindung zwischen positiver Schiene (P) und negativer Schiene (N). Dadurch kann der Strom zwischen Eingangs-und Ausgangsgeräten fließen.

Funktionsblockdiagramme

Das Funktionsblockdiagramm (FBD) ist eine einfache und grafische Methode zum Programmieren mehrerer Funktionen in der SPS. PLCopen hat die Verwendung von FBD in der Norm IEC 61131-3 beschrieben. Ein Funktionsbaustein ist eine Programmbefehlseinheit, die bei Ausführung einen oder mehrere Ausgabewerte liefert.,

Es wird durch einen Block dargestellt, wie unten gezeigt. Es wird als rechteckiger Block mit Eingängen dargestellt, die links eingegeben werden, und Ausgabeleitungen, die rechts verbleiben. Es gibt eine Beziehung zwischen dem Zustand der Eingabe und Ausgabe

Der Vorteil der Verwendung von FBD besteht darin, dass eine beliebige Anzahl von Ein-und Ausgängen für den Funktionsblock verwendet werden kann. Wenn Sie mehrere Ein-und Ausgänge verwenden, können Sie den Ausgang eines Funktionsbausteins mit dem Eingang eines anderen verbinden., Whereby building a Function Block Diagram.

The figure below shows various function blocks used in FBD programming.

The figure below shows a ladder diagram and its function block equivalent in Siemens notation.,

Structured Text Programming

Structured text is a textual programming language that utilizes statements to determine what to execute. It follows more conventional programming protocols but it is not case sensitive., Eine Reihe von Anweisungen (Logik) besteht aus dem Ausdrücken von Zuordnungen und Beziehungen unter Verwendung mehrerer Operatoren. Die folgenden Textoperatoren sind unten im Bild aufgeführt.

Beispiele für SPS-Programmierung

Eine Signallampe muss eingeschaltet werden, wenn eine Pumpe läuft und der Druck zufriedenstellend ist oder wenn der Lampentestschalter geschlossen ist., Wenn in dieser Anwendung ein Ausgang von der Lampe vorhanden sein soll, sind Eingänge sowohl von Pumpen-als auch von Drucksensoren erforderlich. Daher UND Logikgatter werden verwendet.

ODER Logik wird für die Testeingangsbedingung verwendet, es ist erforderlich, einen Ausgang der Lampe einzugeben, unabhängig davon, ob ein Signal vom UND-System vorliegt. Durch die Verwendung der END-oder RET-Anweisung im Leiterdiagramm können wir feststellen, dass die SPS das Ende des Programms erreicht hat. Das Funktionsblockdiagramm und das Leiterdiagramm sind unten in der Abbildung dargestellt.,

Betrachten Sie als weiteres Beispiel ein Ventil, das zum Anheben einer Last betätigt werden soll, wenn eine Pumpe läuft und entweder der Hubschalter betätigt wird oder ein Schalter betätigt wird, der anzeigt, dass die Last noch nicht angehoben wurde und ist an der Unterseite seines Auftriebskanals.

ODER Logik wird für zwei Schalter verwendet und an UND Logik wird mit zwei Schaltern und der Pumpe verwendet. Ventil wird nur betrieben, wenn die Pumpe eingeschaltet ist und zwei Schalter betätigt werden.,

Betrachten eine getränke maschine, dass ermöglicht die auswahl von tee oder kaffee, milch oder keine milch, zucker oder keine zucker, und wird liefern die erforderlich heißer trinken auf die einfügen von eine münze. Aus der unten gezeigten Abbildung ist ersichtlich, dass entweder Tee oder Kaffee unter Verwendung des ersten ODER zweiten Gatters ausgewählt wird.

Der erste UND der zweite geben eine Ausgabe aus, wenn entweder Tee oder Kaffee ausgewählt und eine Münze in die Maschine eingeführt wird., Die Ausgabe von diesem UND Gate wird dem zweiten UND Gate gegeben. Die zweite UND dritte funktionieren nur, wenn heißes Wasser mit Tee kombiniert wird. Milch und Zucker sind optionale Zusätze, die nach dem Einsetzen einer Münze auftreten können.,

Geschichte der SPS

Viele frühe SPS waren nicht in der Lage grafische Darstellung der Logik, und so wurde es stattdessen als eine Reihe von logischen Ausdrücken in einem booleschen Format (ähnlich Boolescher Algebra) dargestellt.,

Als sich Programmierterminals entwickelten, wurde es üblicher, Leiterlogik zu verwenden, weil es ein bekanntes Format für elektromechanische Bedienfelder war. Modernere Formate wie Zustandslogik und Funktionsbausteindiagramme existieren, sind aber immer noch nicht so beliebt wie Ladder Logic.

Ein möglicher Grund dafür ist, dass Programmierer die mehr visuelle Attraktivität der Leiterlogik gegenüber strukturierter Textprogrammierung bevorzugen.,

Bis etwa Mitte der 1990er Jahre wurden SPS mit proprietären Programmierpanels oder speziellen Programmierterminals programmiert, die häufig dedizierte Funktionstasten hatten, die die verschiedenen logischen Elemente von SPS-Programmen darstellten.

Einige proprietäre Programmierterminals zeigten die Elemente von SPS-Programmen als grafische Symbole an, aber einfache ASCII-Code-Darstellungen von Kontakten, Spulen und Drähten waren üblich.