Auswahl eines Controllers für die industrielle Automatisierung

Bei der Auswahl einer Steuerung für die industrielle Automatisierung sind mehrere wichtige Begriffe zu berücksichtigen, nicht nur die, die haben die Wörter PLC, PAC oder IPC in ihnen . Anwendungsanforderungen müssen klar definiert werden, während die Skalierbarkeitsanforderungen berücksichtigt werden müssen, bevor eine Auswahl getroffen wird.

Für den Anfang ist die Aufteilung der Betriebsanforderungen der Ausrüstung ein guter Anfang, was den Benutzern hilft, die Auswahl an Steuerungen zu bewerten, die von Maschinenbauern spezifiziert werden. Das Automatisierungssystem kann eine umfassende Lösung oder eine individuelle Steuerung bieten, je nachdem, wie es in das Fertigungsszenario passt.

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), eine programmierbare Automatisierungssteuerung (PAC) oder ein industrieller Personal Computer (IPC) kann die Steuerung einer einzelnen Station, einer Maschine, einer Fertigungsstraße oder sogar der gesamten Fertigungshalle übernehmen. Im Fall eines integrierten Fertigungssystems kann eine einzelne große Steuerung mit entfernten Eingabe-/Ausgabebasen, die über Ethernet kommunizieren, verwendet werden, um eine End-to-End-Steuerung bereitzustellen. Es kann jedoch Zeiten geben, in denen die Anwendung einen modularen Ansatz erfordert, in dem eine Untergliederung des Automatisierungssystems in logische Abschnitte geeigneter wäre. In solchen Fällen wird die Automatisierung aufgeteilt und je nach Arbeitslast auf kleinere SPS verteilt.

Einige Automatisierungsexperten sehen diese beiden Entscheidungen meilenweit voneinander entfernt und kommen zu dem Schluss, dass beide unterschiedliche Plattformen erfordern. Aber das muss nicht stimmen. Es gibt einige Hersteller, die Controller mit unterschiedlichen Größenoptionen anbieten, die alle mit derselben Programmiersoftware kompatibel sind. Das Vorhandensein einer einzigen Programmierumgebung bedeutet, dass dem System Flexibilität verliehen werden kann, während die mit der Programmentwicklung verbundenen Kosten gesenkt werden können, da Projekte von einer SPS auf die andere portiert werden können.

Die entmutigende Entscheidung ist jedoch die Entscheidung, ob eine große SPS für ein einzelnes Programm verwendet wird oder ob ein modularer Ansatz verwendet wird. Die Entscheidung ist viel komplexer als die Auswahl einer SPS , PAC oder PC-basierte Steuerung. Die Berücksichtigung der folgenden Faktoren kann beim Aufbau einer guten Basis helfen:

• Neues oder bestehendes System
• Einzelne Geräte
• Umweltprobleme
• Loop-Steuerung
• Analoggeräte
• Spezialmodule
• E/A-Standorte
• Kommunikation
• Programmierung

Ob das System neu oder bereits vorhanden ist, kann dabei helfen, viele Verwirrungen zu beseitigen und die verbleibenden Faktoren für die Auswahl zu beeinflussen. Wenn Produkte bereits installiert sind, wird die Kompatibilität von größter Bedeutung, wodurch die Anzahl der Produkte neutralisiert wird, die keinen Nutzen haben.

Die Wahl des Controllers ist auch abhängig von den Umgebungsbedingungen. Wenn es extreme Bedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Staub usw. gibt, muss der Controller diese erfüllen, um betriebsbereit zu bleiben.

Anzahl, Art und Ort der I/Os

I/O-Anzahl definieren und Feldgerätetypen steht als nächstes auf der Liste. Beginnen Sie damit, alle diskreten Ein- und Ausgänge in einer Tabelle aufzulisten und jeden Typ zu definieren, z. digitaler Sensor, analoger Sensor, Aktuator, Steuerventil usw. Zu den Parametern, die notiert werden müssen, gehören Kommunikationsprotokoll, Leistungsäquivalent usw.

Die Art und Anzahl der E/A-Punkte hat großen Einfluss auf die Auswahl der Steuerungsplattform. Maschinenbauer machen oft den Fehler, Steuerungen zu wählen, die die unmittelbaren Anforderungen erfüllen können, ohne Raum für zukünftige Erweiterungen zu lassen. Durch die Einbeziehung von Erweiterungsspielraum um mindestens 20 % kann I/O größere Krisen in der Zukunft abwenden. Es gibt auch einige Controller, die über begrenzte E/A-Typen verfügen, z. B. analoge Hochgeschwindigkeitseingänge usw. Dies kann später ebenfalls zu einem Problem werden.

Die zuvor erwähnte Tabelle sollte die Funktionen und Signalpegel aller analogen Geräte enthalten, einschließlich individueller Summen für Strom-/Spannungsschleife, Widerstandstemperaturfühlereingänge, Thermoelemente usw. Die Spezifikationen der Controller müssen mit diesen Anforderungen abgeglichen werden, damit alle analogen Eingänge und Ausgänge sowie deren Signaltypen werden unterstützt.

Darüber hinaus müssen auch Spezial-I/Os in der Tabelle aufgeführt werden. Dazu können unter anderem Hochgeschwindigkeits-Ein-/Ausgänge, Zähler, Echtzeituhren und Servo-/Schrittmotoren gehören. Es kann Controller geben, die möglicherweise nicht über Spezialfunktionen verfügen. Stellen Sie daher sicher, dass Sie eine gründliche Analyse durchführen, bevor Sie Ihre Entscheidung treffen. Es ist wichtig, die Fähigkeiten des Controllers und die Anwendungsanforderungen zu verstehen.

Die physische Position der E/A-Klemmen muss auch in Bezug auf die Feldgeräte definiert und in der Tabelle notiert werden. Die Aufschlüsselung dieser Anforderungen in kleinere Module hilft beim Verständnis der lokalen und entfernten E/A-Anforderungen, was wiederum bei der Bestimmung der erforderlichen Echtzeit-Kommunikationsprotokolle hilft. Es gibt einige Installationen, bei denen die Lokalität bevorzugt wird, während andere stark auf Remote-I/Os angewiesen sind.

Wenn die Entfernung zwischen den Steuerungen und Subsystemen beträchtlich ist, wäre die dezentrale E/A eine gute Wahl, anstatt jedes Feldgerät mühsam zu verkabeln. Darüber hinaus müssen die Kommunikationsmethoden und -geschwindigkeiten unterstützt werden, unabhängig davon, ob es sich um serielle oder Ethernet-basierte E/A handelt. In der heutigen industriellen Umgebung werden Ethernet-Protokolle wie EtherNet/IP zusammen mit speziellen Entwicklungsversionen von Open-Source-Protokollen wie Modbus immer beliebter.

Kommunikation

Die Kommunikation zwischen Peripheriegeräten, verteilten E/A, SPS und Unternehmenssystemen kann für einige Fertigungsbereiche eine Notwendigkeit sein. Deren Umfang muss frühzeitig definiert werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Dinge im weiteren Verlauf komplexer werden. Einige Controller bieten möglicherweise nur 1–2 Ports, von denen einer für die Programmierung reserviert ist, während andere möglicherweise bestimmte Protokolle nicht unterstützen, die für unternehmenskritische Anwendungen erforderlich sind.

Die Kommunikation, die zwischen der Steuerung und HMIs oder Feldgeräten stattfinden soll, muss ebenfalls angegeben werden. Das Aufkommen des Internets der Dinge hat es unabdingbar gemacht, offene Kommunikationsmöglichkeiten zu haben. Daher muss sichergestellt werden, dass zusätzliche Ethernet-, serielle, USB-Ports in der Steuerung verfügbar sind.

Die Spezifikation von Ethernet-Protokollen wie Modbus TCP, Ethernet/IP, Profibus usw. muss erfolgen, sowohl für aktuelle Anforderungen als auch für zukünftige Erweiterungen.

Hardware

Zu den allgemeinen Hardwareüberlegungen, die angestellt werden müssen, gehören die Scanzeitgeschwindigkeit, die Speichermenge und die Batteriesicherung. Der Controller muss über genügend Systemspeicher verfügen, um sowohl Programmanforderungen als auch Daten zu unterstützen. Diese Schätzungen können vorgenommen werden, indem die Anzahl der Geräte im System ermittelt wird. Der Datenspeicher wird sowohl für die dynamische Datenmanipulation als auch für die Speicherung von Variablen verwendet, Beispiele sind voreingestellte Sollwerte, interne Flags in Zeitgebern und akkumulierte Zeit/Zählwerte.

Die Größe der Datentabelle kann anschwellen, wenn historische Daten auf dem Controller gespeichert werden müssen. Der Bedarf an Datenprotokollierung,Schnittstellen zu HMI/SCADA , Zugriffsmethoden und Historian-Datenbanken müssen alle klar spezifiziert werden, während in einem IIoT-Szenario auch Netzwerk-, Protokolldefinitions- und Speicheranforderungen wichtig werden.

Die Arten von Anweisungen und die Größe des Programms selbst können sich ebenfalls auf den Speicherbedarf auswirken. Wenn das Programm mehrere Sequenzen, ausgefeilte Steuerfunktionen und Fehlerlogiken hat, dann kann dies mehr Speicher erfordern. Die Anforderungen können anhand der Programmpfade und Datendateien abgeschätzt werden. Die Spezifikationen des Controllers müssen ebenfalls untersucht werden, da einige auf Tag-Namen basierende Programmierung haben, während andere feste, aber erweiterbare Datentabellen haben.

Die von Programmen und Datentabellen verbrauchte Speichermenge hängt vom Steuerungsmodell ab. Eine gute Annahme ist, dass jedes diskrete E/A-Gerät 5 – 100 Worte Speicher verwendet, während analoge E/A 25 – 500 Worte verwenden. Der große Bereich kann die Schätzung für komplexe Programme erschweren. Ein besserer Ansatz wäre, einige Codeblöcke zu schreiben und die Speichernutzung zu untersuchen.

Es kann Anwendungen geben, die eine schnelle Abtastzeit benötigen, und die CPU-Geschwindigkeit und die Befehlsausführungsgeschwindigkeit des Controllers sowie beides diesbezüglich nachteilige Faktoren.

Software

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

• Benutzerfreundlichkeit
• Einstellungen
• Investition
• Schulungsressourcen
• Datenprotokollierung und Fernzugriff

Die meisten Steuerungen enthalten häufig eine kostenlose und einfach zu bedienende Programmiersoftware, die ungefähr 20 Befehle wie Timer, Spulen, Kontakte, Zähler usw. enthält, die für kleine Anwendungen ausreichend sind. Aber wenn die Komplexität der Anforderungen zunimmt, kann es problematisch werden. Fortgeschrittene Steuerungen enthalten häufig eine umfassende Programmiersoftware, die eine Fülle von Funktionen enthält, um Programmierer zu unterstützen.

Die Wahl der Programmiersoftware hängt stark von der Komfortzone des Benutzers ab und ist somit eine subjektive Entscheidung. Programmierer mögen ihre eigene Meinung bezüglich der Softwareauswahl haben, aber diese werden oft vom höheren Management außer Kraft gesetzt, das eine Standard-Controller-Programmiersoftware sowie Methoden erzwingt.

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

Die Kosten für den technischen Support müssen ebenfalls berücksichtigt werden, da es Zeiten geben kann, in denen Dokumentationen möglicherweise nicht bei der Bewältigung eines bestimmten Problems helfen. Es gibt Anbieter, die zeitlich begrenzte kostenlose Dienste anbieten, was hilfreich sein kann, wenn bei der Programmentwicklung ein Zeitplan eingehalten wird.

Nach der Entwicklung muss das Programm gründlich getestet werden, und dazu muss die Software in Form einer PID-Loop-Antwort sichtbar sein und Bewegungsprofil. Dadurch kann die Simulation in vollem Umfang durchgeführt werden. Moderne Entwicklungssoftware ist in Simulatoren integriert, die ein vollständiges Testen ermöglichen, ohne dass eine Verbindung zur Hardware hergestellt werden muss.

Abschließend sollten Sie davon absehen, einen einheitlichen Ansatz zu verfolgen, sei es für Software, Hardware oder Kommunikation. Der ausgewählte Controller muss die Automatisierungsanforderungen vollständig erfüllen und gleichzeitig Raum für Weiterentwicklungen bieten, wenn sich die Designs ändern.

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