Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

Vor dem Aufkommen von Halbleiter-Logikschaltungen wurden logische Steuerungssysteme ausschließlich um elektromechanische Relais herum entworfen und gebaut. Relais sind im modernen Design bei weitem nicht veraltet, sondern wurden in vielen ihrer früheren Funktionen als Logikpegel-Steuergeräte ersetzt, die am häufigsten für Anwendungen verwendet werden, die Hochstrom- und/oder Hochspannungsschalten erfordern.

Systeme und Prozesse, die eine „Ein/Aus“-Steuerung erfordern, sind im modernen Handel und in der Industrie im Überfluss vorhanden, aber solche Steuerungssysteme werden selten entweder aus elektromechanischen Relais oder diskreten Logikgattern aufgebaut. Stattdessen decken digitale Computer den Bedarf, die programmiert sein können verschiedene logische Funktionen ausführen.

Die Geschichte der speicherprogrammierbaren Steuerungen

In den späten 1960er Jahren brachte ein amerikanisches Unternehmen namens Bedford Associates ein Computergerät namens MODICON auf den Markt . Als Akronym bedeutete es Mod ular Di gital Con troller und wurde später der Name einer Unternehmensabteilung, die sich der Entwicklung, Herstellung und dem Verkauf dieser speziellen Steuercomputer widmete.

Andere Ingenieurbüros entwickelten ihre eigenen Versionen dieses Geräts, und es wurde schließlich als SPS bekannt , oder P programmierbares L ogisches C Controller. Der Zweck einer SPS bestand darin, elektromechanische Relais direkt als Logikelemente zu ersetzen und stattdessen einen elektronischen Halbleitercomputer mit einem gespeicherten Programm zu ersetzen, der die Verbindung vieler Relais emulieren kann, um bestimmte logische Aufgaben auszuführen.

Kontaktplanlogik und SPS-Programmierung

Eine SPS hat viele „Eingangs“-Klemmen, über die sie „High“- und „Low“-Logikzustände von Sensoren und Schaltern interpretiert. Es hat auch viele Ausgangsklemmen, über die es „High“- und „Low“-Signale ausgibt, um Lichter, Magnetspulen, Schütze, kleine Motoren und andere Geräte mit Strom zu versorgen, die sich für die Ein-/Aus-Steuerung eignen.

Um die Programmierung von SPS zu vereinfachen, wurde ihre Programmiersprache so entwickelt, dass sie Kontaktplandiagrammen ähnelt. Ein Industrieelektriker oder Elektroingenieur, der es gewohnt ist, Leiterlogik-Schaltpläne zu lesen, würde sich also sicher fühlen, eine SPS zu programmieren, um die gleichen Steuerungsfunktionen auszuführen.

SPS sind Industriecomputer und als solche sind ihre Eingangs- und Ausgangssignale typischerweise 120 Volt Wechselspannung, genau wie die elektromechanischen Steuerrelais, die sie ersetzen sollten. Obwohl einige SPS in der Lage sind, Gleichspannungssignale mit niedrigem Pegel der in Logikgatterschaltungen verwendeten Größe ein- und auszugeben, ist dies die Ausnahme und nicht die Regel. Signalverbindungs- und Programmierstandards variieren etwas zwischen verschiedenen SPS-Modellen, aber sie sind ähnlich genug, um hier eine „generische“ Einführung in die SPS-Programmierung zu ermöglichen.

Die folgende Abbildung zeigt eine einfache SPS, wie sie in einer Vorderansicht aussehen könnte. Zwei Schraubklemmen ermöglichen den Anschluss an 120 Volt Wechselstrom für die Stromversorgung der internen Schaltkreise der SPS, die mit L1 und L2 gekennzeichnet sind. Sechs Schraubklemmen auf der linken Seite ermöglichen den Anschluss von Eingabegeräten, wobei jede Klemme einen anderen Eingangs-„Kanal“ mit eigenem „X“-Label darstellt.

Die untere linke Schraubklemme ist ein „gemeinsamer“ Anschluss, der im Allgemeinen mit L2 (Neutralleiter) der 120-VAC-Stromquelle verbunden ist.

Im Inneren des SPS-Gehäuses, das zwischen jedem Eingangsanschluss und dem gemeinsamen Anschluss angeschlossen ist, befindet sich ein Opto-Isolator (Licht emittierende Diode), der ein elektrisch isoliertes „High“-Logiksignal an die Schaltkreise des Computers liefert (ein Fototransistor interpretiert das Licht der LED ) wenn zwischen dem jeweiligen Eingangsanschluss und dem gemeinsamen Anschluss 120 VAC anliegen. Eine Anzeige-LED an der Frontplatte der SPS zeigt visuell an, ob ein Eingang „erregt“ ist:

Ausgangssignale werden von der Computerschaltung der SPS erzeugt, die ein Schaltgerät (Transistor, TRIAC oder sogar ein elektromechanisches Relais) aktiviert und den „Source“-Anschluss mit einem der mit „Y-“ gekennzeichneten Ausgangsanschlüsse verbindet. Der Anschluss „Source“ wird dementsprechend normalerweise mit der L1-Seite der 120-VAC-Stromquelle verbunden. Wie bei jedem Eingang zeigt eine Anzeige-LED an der Frontplatte der SPS visuell an, ob ein Ausgang „erregt“ ist:

Auf diese Weise kann die SPS mit realen Geräten wie Schaltern und Magnetspulen kommunizieren. Die eigentliche Logik der Steuerung wird innerhalb der SPS mittels eines Computerprogramms festgelegt. Dieses Programm bestimmt, welcher Ausgang unter welchen Eingangsbedingungen aktiviert wird.

Obwohl das Programm selbst ein Kontaktplan mit Schalter- und Relaissymbolen zu sein scheint, gibt es in der SPS keine tatsächlichen Schaltkontakte oder Relaisspulen, die die logischen Beziehungen zwischen Eingang und Ausgang herstellen. Diese sind imaginär Kontakte und Spulen, wenn Sie so wollen. Das Programm wird über einen PC eingegeben und angezeigt, der an den Programmieranschluss der SPS angeschlossen ist. Betrachten Sie die folgende Schaltung und das SPS-Programm:

Bei unbetätigtem Drucktaster (nicht gedrückt) wird kein Strom an den Eingang X1 der SPS gesendet. Nach dem Programm, das einen Schließer X1 in Reihe mit einer Y1-Spule zeigt, wird keine „Leistung“ an die Y1-Spule gesendet. Somit bleibt der Ausgang Y1 der SPS stromlos und die daran angeschlossene Kontrollleuchte bleibt dunkel.

Wenn jedoch der Drucktaster gedrückt wird, wird Strom an den Eingang X1 der SPS gesendet. Alle im Programm erscheinenden X1-Kontakte nehmen den betätigten (nicht normalen) Zustand an, als wären sie Relaiskontakte, die durch die Erregung einer Relaisspule namens „X1“ betätigt werden.

In diesem Fall führt das Erregen des X1-Eingangs dazu, dass der Schließer-X1-Kontakt „schließt“ und „Strom“ an die Y1-Spule sendet. Wenn die Y1-Spule des Programms „erregt“ wird, wird der eigentliche Y1-Ausgang erregt und die daran angeschlossene Lampe leuchtet auf:

Es muss verstanden werden, dass der X1-Kontakt, die Y1-Spule, die Anschlussdrähte und die „Stromversorgung“, die auf dem Display des PCs erscheinen, alle virtuell sind . Sie existieren nicht als echte elektrische Komponenten. Sie existieren als Befehle in einem Computerprogramm – nur ein Stück Software – das zufällig einem echten Schaltplan eines Relais ähnelt.

Ebenso wichtig zu verstehen ist, dass der PC, der zum Anzeigen und Bearbeiten des SPS-Programms verwendet wird, für den weiteren Betrieb der SPS nicht erforderlich ist. Nachdem ein Programm vom PC in die SPS geladen wurde, kann der PC von der SPS getrennt werden und die SPS folgt weiterhin den programmierten Befehlen.

Ich füge die Anzeige des Personalcomputers in diese Illustrationen nur zu Ihrem Wohl ein, um die Beziehung zwischen den realen Bedingungen (Schalterschluss und Lampenstatus) und dem Status des Programms („Strom“ durch virtuelle Kontakte und virtuelle Spulen) zu verstehen.

Kontrollsystemverhalten

Die wahre Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit einer SPS zeigt sich, wenn wir das Verhalten eines Steuerungssystems ändern wollen. Da die SPS ein programmierbares Gerät ist, können wir ihr Verhalten ändern, indem wir die ihr gegebenen Befehle ändern, ohne die daran angeschlossenen elektrischen Komponenten neu konfigurieren zu müssen.

Nehmen wir zum Beispiel an, wir möchten diese Schalter-und-Lampen-Schaltung invertiert ausführen:Drücken Sie den Knopf, um die Lampe aus auszuschalten , und lassen Sie es los, um es einzuschalten . Die "Hardware"-Lösung würde erfordern, dass ein normalerweise geschlossener Druckknopfschalter den derzeit vorhandenen normalerweise offenen Schalter ersetzt. Die „Software“-Lösung ist viel einfacher:Ändern Sie einfach das Programm so, dass der Kontakt X1 Öffner und nicht Schließer ist.

In der folgenden Abbildung haben wir das geänderte System in dem Zustand gezeigt, in dem der Taster unbetätigt ist (nicht gedrückt):

In der nächsten Abbildung ist der Schalter betätigt (gedrückt) dargestellt:

Einer der Vorteile der Implementierung einer logischen Steuerung in Software statt in Hardware besteht darin, dass Eingangssignale im Programm so oft wie nötig wiederverwendet werden können. Nehmen wir zum Beispiel die folgende Schaltung und das folgende Programm, das die Lampe mit Strom versorgt, wenn mindestens zwei der drei Drucktaster gleichzeitig betätigt werden:

Um eine Ersatzschaltung mit elektromechanischen Relais aufzubauen, müssten drei Relais mit jeweils zwei Schließerkontakten verwendet werden, um zwei Kontakte pro Eingangsschalter bereitzustellen. Mit einer SPS können wir jedoch für jeden „X“-Eingang beliebig viele Kontakte programmieren, ohne zusätzliche Hardware hinzuzufügen, da jeder Eingang und jeder Ausgang nichts anderes als ein einzelnes Bit im digitalen Speicher der SPS ist (entweder 0 oder 1) , und kann so oft wie nötig abgerufen werden.

Da außerdem jeder Ausgang in der SPS nur ein Bit in seinem Speicher ist, können wir Kontakte in einem SPS-Programm zuweisen, die durch einen Status des Ausgangs (Y) „angesteuert“ werden. Nehmen wir zum Beispiel dieses nächste System, einen Motor-Start-Stopp-Steuerkreis:

Der an Eingang X1 angeschlossene Taster dient als „Start“-Schalter, während der an Eingang X2 angeschlossene Schalter als „Stopp“ dient. Ein weiterer Kontakt im Programm namens Y1 verwendet den Zustand der Ausgangsspule direkt als Dichtkontakt, so dass das Motorschütz nach Loslassen des Drucktasters „Start“ weiter erregt wird. Sie können den Öffner X2 in einem farbigen Block sehen, der anzeigt, dass er sich in einem geschlossenen („elektrisch leitenden“) Zustand befindet.

Wenn wir den „Start“-Knopf drücken, würde Eingang X1 erregt, wodurch der X1-Kontakt im Programm „geschlossen“ wird, „Strom“ an die Y1-„Spule“ gesendet, der Y1-Ausgang erregt und 120-Volt-Wechselstrom an die angelegt wird echte Motorschützspule. Der parallele Y1-Kontakt „schließt“ auch und verriegelt so den „Stromkreis“ im erregten Zustand:

Wenn wir nun den „Start“-Taster loslassen, kehrt der Schließer X1 „Kontakt“ in seinen „offenen“ Zustand zurück, aber der Motor läuft weiter, da der Y1-Einschweiß-„Kontakt“ weiterhin für „Durchgang“ sorgt. um die Spule Y1 zu „powern“, wodurch der Y1-Ausgang erregt bleibt:

Um den Motor anzuhalten, müssen wir kurz die Taste „Stop“ drücken, die den Eingang X2 aktiviert und den normalerweise geschlossenen „Kontakt“ „öffnet“, wodurch die Kontinuität zur „Spule“ Y1 unterbrochen wird:“

Wenn die Taste „Stop“ losgelassen wird, wird Eingang X2 entregt und der „Kontakt“ X2 in seinen normalen „geschlossenen“ Zustand zurückversetzt. Der Motor läuft jedoch erst wieder an, wenn der Taster „Start“ betätigt wird, da die „Versiegelung“ von Y1 verloren gegangen ist:

Fehlersicheres Design in SPS-gesteuerten Systemen

Ein wichtiger Punkt hier ist, dass ausfallsicher Design ist bei SPS-gesteuerten Systemen ebenso wichtig wie bei elektromechanischen Relais-gesteuerten Systemen. Man sollte immer die Auswirkungen einer fehlerhaften (offenen) Verkabelung auf das oder die gesteuerten Geräte berücksichtigen. In diesem Beispiel einer Motorsteuerschaltung haben wir ein Problem:Wenn die Eingangsverdrahtung für X2 (der „Stopp“-Schalter) nicht geöffnet ist, gibt es keine Möglichkeit, den Motor zu stoppen!

Die Lösung für dieses Problem ist eine Umkehrung der Logik zwischen dem X2 „Kontakt“ innerhalb des SPS-Programms und dem eigentlichen „Stopp“-Taster:

Wenn der Öffner „Stopp“-Drucktaster nicht betätigt (nicht gedrückt) wird, wird der Eingang X2 der SPS erregt, wodurch der „Kontakt“ X2 innerhalb des Programms „geschlossen“ wird. Dadurch kann der Motor gestartet werden, wenn der Eingang X1 bestromt wird, und weiterlaufen, wenn der Taster „Start“ nicht mehr gedrückt wird. Bei Betätigung des „Stop“-Tasters wird der Eingang X2 stromlos, wodurch der X2 „Kontakt“ innerhalb des SPS-Programms „öffnet“ und der Motor abgeschaltet wird.

Wir sehen also, dass es keinen betrieblichen Unterschied zwischen diesem neuen Design und dem vorherigen Design gibt. Wenn jedoch die Eingangsverdrahtung an Eingang X2 fehlgeschlagen wäre, würde der Eingang X2 auf die gleiche Weise wie beim Drücken der Taste „Stopp“ deaktiviert. Ein Verdrahtungsfehler am Eingang X2 hat zur Folge, dass der Motor sofort abschaltet.

Dies ist ein sichereres Design als das zuvor gezeigte, bei dem ein Fehler in der Verdrahtung des „Stopp“-Schalters zu einer Unfähigkeit geführt hätte um den Motor auszuschalten. Neben Eingabe- (X) und Ausgabe- (Y) Programmelementen bieten SPSen „interne“ Spulen und Kontakte ohne Eigenverbindung zur Außenwelt. Diese werden ähnlich wie „Steuerrelais“ (CR1, CR2 usw.) in Standardrelaisschaltungen verwendet:um bei Bedarf eine logische Signalumkehrung bereitzustellen.

Um zu demonstrieren, wie eines dieser „internen“ Relais verwendet werden könnte, betrachten Sie die folgende Beispielschaltung und das folgende Programm, das die Funktion eines NAND-Gatters mit drei Eingängen emuliert. Da SPS-Programmelemente typischerweise mit einzelnen Buchstaben aufgebaut sind, nenne ich das interne Steuerrelais „C1“ statt „CR1“, wie es in einem Relaissteuerkreis üblich wäre:

In diesem Stromkreis leuchtet die Lampe solange jeder der Tasten bleiben unbetätigt (unbetätigt). Um die Lampe auszuschalten, müssen wir alle . betätigen (drücken). drei Schalter, wie folgt:

Erweiterte SPS-Funktionalität

Dieser Abschnitt über speicherprogrammierbare Steuerungen veranschaulicht nur einen kleinen Ausschnitt ihrer Fähigkeiten. Als Computer können SPS Zeitsteuerungsfunktionen (entspricht Zeitverzögerungsrelais), Trommelsequenzierung und andere fortschrittliche Funktionen mit weitaus größerer Genauigkeit und Zuverlässigkeit ausführen, als dies mit elektromechanischen Logikgeräten möglich ist. Die meisten SPS haben die Kapazität für weit mehr als sechs Eingänge und sechs Ausgänge. Das folgende Foto zeigt mehrere Eingangs- und Ausgangsmodule einer einzelnen Allen-Bradley-SPS.

Da jedes Modul sechzehn "Punkte" entweder als Eingang oder Ausgang hat, kann diese SPS Dutzende von Geräten überwachen und steuern. Eine SPS passt in einen Schaltschrank und nimmt wenig Platz ein, insbesondere wenn man den äquivalenten Platz bedenkt, den elektromechanische Relais für die gleichen Funktionen benötigen würden:

Fernüberwachung und Steuerung von SPS über digitale Computernetzwerke

Ein Vorteil von SPS, die einfach nicht können durch elektromechanische Relais dupliziert werden soll, ist die Fernüberwachung und -steuerung über digitale Computernetzwerke. Da eine SPS nichts anderes als ein spezieller digitaler Computer ist, kann sie relativ einfach mit anderen Computern kommunizieren. Das folgende Foto zeigt einen PC, der ein grafisches Bild eines realen Flüssigkeitsstandprozesses (eine Pumpstation oder „Hebestation“ für ein kommunales Abwasserbehandlungssystem) anzeigt, die von einer SPS gesteuert wird.

Die eigentliche Pumpstation befindet sich meilenweit vom PC-Display entfernt: