Den richtigen industriellen Automatisierungscontroller auswählen: Ein umfassender Leitfaden

Bei der Auswahl eines industriellen Automatisierungscontrollers gibt es mehrere wichtige Begriffe zu berücksichtigen, nicht nur solche , die die Wörter SPS, PAC oder IPC in sich tragen. Anwendungsanforderungen müssen klar definiert werden, während Skalierbarkeitsbedürfnisse vor einer Entscheidung berücksichtigt werden müssen.

Als Einstieg ist die Aufteilung der Betriebsanforderungen der Ausrüstung ein guter Ausgangspunkt, was Benutzern hilft, den Bereich der von Maschinenbauern spezifizierten Controller zu bewerten. Das Automatisierungssystem kann eine umfassende Lösung oder Einzelsteuerung bieten, abhängig davon, wie es in das Fertigungsszenario passt.

Eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), Programmierbare Automatisierungssteuerung (PAC) oder Industrieller Personal Computer (IPC) kann Steuerung für eine einzelne Station, Maschine, Montagelinie oder sogar den gesamten Shopfloor bieten. Im Fall eines integrierten Fertigungssystems kann ein einzelner großer Controller mit entfernten Ein-/Ausgabebasen, die über Ethernet kommunizieren, für End-to-End-Steuerung verwendet werden. Es kann jedoch Zeiten geben, in denen die Anwendung einen modularen Ansatz erfordert, bei dem die Aufteilung des Automatisierungssystems in logische Abschnitte geeigneter wäre. In solchen Fällen wird die Automatisierung compartmentalisiert und auf kleinere SPS verteilt, abhängig von der Arbeitslast.

Einige Automatisierungsexperten betrachten diese beiden Entscheidungen als meilenweit voneinander entfernt und schließen, dass beide unterschiedliche Plattformen erfordern. Das muss aber nicht wahr sein. Es gibt Hersteller, die Controller mit verschiedenen Größenoptionen anbieten, alle kompatibel mit derselben Programmiersoftware. Die Präsenz einer einzigen Programmierumgebung bedeutet, dass Flexibilität in das System eingebracht werden kann, während Kosten für die Programmentwicklung gesenkt werden, da Projekte von einer SPS auf die andere portiert werden können.

Die einschüchternde Entscheidung ist jedoch, ob eine große SPS für ein einzelnes Programm eingesetzt werden soll oder ob ein modularer Ansatz verwendet werden soll. Die Entscheidung ist weit komplexer als die Wahl einer SPS, PAC oder PC-basierten Steuerung. Die Berücksichtigung der folgenden Faktoren kann eine gute Basis schaffen:

• Neues oder bestehendes System
• Diskrete Geräte
• Umweltbedingungen
• Regelkreissteuerung
• Analoge Geräte
• Spezialmodule
• I/O-Standorte
• Kommunikation
• Programmierung

Ob das System neu oder bestehend ist, kann viele Verwirrungen klären und die verbleibenden Faktoren für die Auswahl beeinflussen. Wenn Produkte bereits installiert sind, wird Kompatibilität von größter Wichtigkeit, was eine Reihe von Produkten neutralisiert, die nutzlos sind.

Die Wahl des Controllers hängt auch von den Umweltbedingungen ab. Wenn extreme Bedingungen vorliegen, wie solche bezüglich Temperatur, Feuchtigkeit, Staub etc., muss der Controller diesen standhalten, um betriebsbereit zu bleiben.

Anzahl, Typen und Standorte von I/Os

Die I/O-Anzahl definieren und Feldgerätetypen ist der nächste Schritt. Beginnen Sie damit, alle diskreten Ein- und Ausgänge in einer Tabellenkalkulation aufzulisten und jeden Typ zu definieren, z. B. digitaler Sensor, analoger Sensor, Aktuator, Regelventil etc. Die zu notierenden Parameter umfassen Kommunikationsprotokoll, Leistungsäquivalent etc.

Typ und Anzahl der I/O-Punkte haben großen Einfluss auf die Auswahl der Steuerplattform. Maschinenbauer machen oft den Fehler, Controller zu wählen, die unmittelbare Bedürfnisse erfüllen, ohne Raum für zukünftige Expansion zu lassen. Durch Einplanung von mindestens 20 % Expansionsraum bei I/O können spätere Krisen vermieden werden. Es gibt auch Controller, die begrenzte I/O-Typen haben, wie analoge, High-Speed-Eingänge etc. Dies kann später ebenfalls zum Problem werden.

Die oben genannte Tabellenkalkulation sollte die Funktionen und Signallevel aller analogen Geräte enthalten, einschließlich individueller Summen für Strom/Spannungsschleifen, Widerstandstemperaturdetektoreingänge, Thermoelemente etc. Die Controllerspezifikationen müssen mit diesen Anforderungen abgeglichen werden, sodass alle analogen Ein- und Ausgänge sowie ihre Signaltypen unterstützt werden.

Zudem müssen Spezial-I/Os in der Tabellenkalkulation aufgeführt werden. Dazu können gehören, sind aber nicht beschränkt auf: High-Speed-Ein-/Ausgänge, Zähler, Echtzeituhren und Servo-/Schrittmotoren. Es kann Controller geben, die keine Spezialfunktionen haben, daher stellen Sie sicher, dass Sie eine gründliche Analyse durchführen, bevor Sie Ihre Entscheidung treffen. Das Verständnis der Controllerfähigkeiten und der Anwendungsanforderungen ist essenziell.

Der physische Standort der I/O-Terminals muss ebenfalls definiert werden, bezogen auf die Feldgeräte, und in der Tabellenkalkulation notiert. Die Aufschlüsselung dieser Anforderungen in kleinere Module hilft, lokale und entfernte I/O-Bedürfnisse zu verstehen, was wiederum hilft, zu bestimmen, welche Echtzeit-Kommunikationsprotokolle benötigt werden. Es gibt Installationen, wo Lokalität bevorzugt wird, während andere stark auf entfernte I/Os angewiesen sind.

Wenn die Distanz zwischen Controllern und Subsystemen beträchtlich ist, wäre Remote I/O eine gute Wahl, anstatt den Aufwand zu betreiben, jedes Feldgerät zu verkabeln. Darüber hinaus müssen die Kommunikationsmethoden und -geschwindigkeiten unterstützt werden, ob Serial oder Ethernet-basiert I/O. In der heutigen industriellen Umgebung werden Ethernet-Protokolle wie EtherNet/IP populär, neben speziell entwickelten Versionen von Open-Source-Protokollen wie Modbus.

Kommunikation

Kommunikation zwischen Peripheriegeräten, verteilten I/Os, SPSs und Enterprise-Systemen kann für einige Shopfloors eine Notwendigkeit sein. Der Umfang dieser muss frühzeitig definiert werden, mit der Überlegung, dass Dinge komplexer werden, je weiter man vorgeht. Einige Controller bieten möglicherweise nur 1–2 Ports, von denen einer für die Programmierung reserviert ist, während andere möglicherweise nicht die für missionskritische Anwendungen erforderlichen spezifischen Protokolle unterstützen.

Die Kommunikation, die zwischen dem Controller und HMIs oder Feldgeräten stattfindet, muss ebenfalls spezifiziert werden. Der Aufkommen des Internet of Things hat es essenziell gemacht, Kommunikationsoptionen offen zu halten. Daher muss sichergestellt werden, dass zusätzliche Ethernet-, Serial-, USB-Ports im Controller verfügbar sind.

Die Spezifikation von Ethernet-Protokollen wie Modbus TCP, Ethernet/IP, Profibus etc. muss sowohl für aktuelle Anforderungen als auch für zukünftige Expansion durchgeführt werden.

Hardware

Gängige Hardware-Überlegungen umfassen Scanzeit-Geschwindigkeit, Speichermenge und Batterie-Backup. Der Controller muss ausreichend Systemspeicher haben, um sowohl Programm-Anforderungen als auch Daten zu unterstützen. Diese Schätzungen können durch Ermittlung der Anzahl der Geräte im System vorgenommen werden. Datenspeicher wird für sowohl dynamische Datenmanipulation als auch Variablenspeicherung verwendet, Beispiele sind voreingestellte Sollwerte, interne Flags in Timern und akkumulierte Zeit/Zähler.

Die Datentabelle kann anschwellen, wenn historische Daten auf dem Controller gespeichert werden müssen. Der Bedarf an Datenlogging, Schnittstellen zu HMI/SCADA, Zugriffsmethoden und Historian-Datenbanken müssen alle klar spezifiziert werden, während in einem IIoT-Szenario Vernetzung, Protokolldefinition und Speicherbedarf ebenfalls wichtig werden.

Die Art der Instruktionen und die Programmgröße selbst können die Speicherbedürfnisse beeinflussen. Wenn das Programm mehrere Sequenzen, anspruchsvolle Steuerfunktionen und Fehlerlogiken hat, kann dies erhöhten Speicherbedarf erfordern. Die Anforderungen können basierend auf Programmstufen und Datendateien geschätzt werden. Die Spezifikationen des Controllers müssen ebenfalls studiert werden, da einige tag-basierte Programmierung haben, während andere feste, aber erweiterbare Datentabellen haben.

Die Menge an Speicher, die von Programmen und Datentabellen verbraucht wird, hängt vom Controllermodell ab. Eine gute Annahme ist, dass jedes diskrete I/O-Gerät 5–100 Words Speicher nutzt, während analoges I/O 25–500 Words nutzt. Die große Spanne kann die Schätzung für komplexe Programme erschweren. Ein besserer Ansatz wäre, einige Codeblöcke zu schreiben und die Speichernutzung zu studieren.

Es kann Anwendungen geben, die schnelle Scanzeit benötigen, und die CPU-Geschwindigkeit des Controllers und die Instruktionsausführungsgeschwindigkeit sind beide kritische Faktoren in dieser Hinsicht.

Software

Fast die Hälfte des Projekts hängt von der Qualität der Softwareprogrammierung ab, die wiederum von der vom Hersteller bereitgestellten Software abhängt. Die folgenden Überlegungen müssen bei der Auswahl einer Controller-Programmiersoftware gemacht werden:

• Benutzerfreundlichkeit
• Präferenzen
• Investition
• Trainingsressourcen
• Datenlogging und Fernzugriff

Die meisten Controller beinhalten oft eine kostenlose und einfach zu bedienende Programmiersoftware, die etwa 20 Instruktionen wie Timer, Spulen, Kontakte, Zähler etc. enthält, die für kleine Anwendungen ausreichen. Aber wenn die Komplexität der Anforderungen zunimmt, kann es problematisch werden. Fortgeschrittene Controller beinhalten oft umfassende Programmiersoftware, die eine Vielzahl von Funktionen zur Unterstützung von Programmierern enthält.

Die Wahl der Programmiersoftware hängt weitgehend von der Komfortzone des Benutzers ab, was sie zu einer subjektiven Entscheidung macht. Programmierer mögen ihre eigene Meinung zur Softwareauswahl haben, diese werden jedoch oft von höherem Management überstimmt, das eine Standard-Controller-Programmiersoftware sowie -methoden durchsetzt.

Unabhängig davon sollte ein Controller nicht gewählt werden, wenn er nicht über ausreichende Literatur verfügt, die seine Programmiersoftware detailliert. Die meisten Hersteller haben sich bereits dem Trend zu Online-Ressourcen angepasst und bieten detaillierte Dokumentationen sowie Foren an, wo Programmierer ihre Fragen austauschen können. Allerdings sind nicht alle in diesen Zug eingestiegen; daher sollten sorgfältige Hintergrundprüfungen vor der SPS-Auswahl durchgeführt werden.

Die Kosten für technischen Support müssen ebenfalls berücksichtigt werden, da es Zeiten geben kann, in denen Dokumentationen nicht helfen, ein bestimmtes Problem zu lösen. Es gibt Lieferanten, die zeitlich begrenzte kostenlose Services anbieten, was hilfreich sein kann, wenn ein Zeitplan für die Programmentwicklung verfolgt wird.

Einmal entwickelt, muss das Programm gründlich getestet werden, und dazu muss die Software in der Form einer PID-Regelkreisantwort und Bewegungsprofil einsehbar sein. Dies ermöglicht Simulation in vollem Umfang. Moderne Entwicklungsumgebungen beinhalten Simulatoren, die vollständiges Testen ohne Hardware-Verbindung erlauben.

Zusammenfassend sollten Sie einen One-Size-Fits-All-Ansatz vermeiden, egal ob für Software, Hardware oder Kommunikation. Der gewählte Controller muss die Automatisierungsanforderungen vollständig erfüllen, während er Raum für Fortschritt lässt, wenn sich Designs ändern.