Industrielle SPS steuern Frequenzumrichter

Frequenzumrichter haben präzise und intelligente Bewegungssteuerung in eine Reihe industrieller Anwendungen gebracht. Der Fertigungssektor allein hängt von Maschinen ab, die Materialien drehen und fördern, Flüssigkeiten pumpen, Luft mit Ventilatoren kühlen oder heizen, fertige Produkte verpacken und stapeln – und dies größtenteils automatisch als Teil vernetzter Abläufe tun.

Um in dieser Umgebung zu funktionieren, wie sie es tun, hängen Antriebe vollständig von der steuernden, koordinierenden Kraft der SPS (programmierbarer Logikcontroller) ab. Da es sich keineswegs um eine neue Technologie handelt – die ersten Modelle wurden vor fast genau fünfzig Jahren gebaut – stellt sich unweigerlich die Frage: Was macht die SPS so geeignet für diesen Job?

SPS wurden entwickelt, um die Rechenleistung des Computers anstelle der hartverdrahteten Banken von Leistungsrelais einzusetzen, die früher zur Steuerung von Fabrikmaschinen verwendet wurden. Die Schwierigkeiten bei der Wartung und Fehlersuche dieser alten elektromechanischen Nervenzentren waren legion: Gigantische Gehäuse präsentierten dem Techniker Wände aus Relais, Timern, Zählern, Sicherungen und Klemmen mitten in Kreuzen von punkt-zu-punkt-Verdrahtung. Das Ersetzen einer defekten Spule oder eines abgenutzten Kontakts war schon herausfordernd genug; die Änderung des Zwecks des Systems selbst könnte einen kompletten Neubau erfordern.

Es war unvermeidlich, dass die Ankunft des Mikrochips diese Schränke der Neugier in die Annalen der Ingenieursgeschichte fegen würde. Sowohl Odo Struger (1931-1998), ein Forschungsingenieur bei Allen-Bradley in den 1960ern, als auch Dick Morley (1932-2017), der 1968 einen Aufruf für Ideen von General Motors beantwortete, wurden als Väter der SPS bezeichnet. Beide erkannten, dass die Abfolge von Ereignissen, die von Relais-Systemen zur Steuerung von Maschinen durchgeführt wurden, übersetzt – und miniaturisiert – in die Form eines Computerprogramms werden konnte.

Ein Computer ist es also. Aber die SPS ist ein sehr spezifischer Computertyp; sie wurde als solche konzipiert und bleibt dies bis heute. Aber in welchen Hinsichten?

Warum SPS und nicht etwa PC?

Vielleicht die offensichtlichste Antwort – wenn man sie ansieht – ist, dass eine SPS physisch robust ist; das Ding ist gehärtet. Das bedeutet, dass alle Aspekte ihres Designs (von der Wahl der Komponentenmaterialien bis zu Merkmalen wie Temperaturkontrolle und Gehäusestil) darauf ausgelegt sind, das Gerät vor herausfordernden Mengen an Staub, Feuchtigkeit, Vibration, Temperatur usw. zu schützen.

Das einzigartige Design einer SPS muss auch signifikante Ein-/Ausgangsanordnungen beherbergen – weit mehr als den einen oder anderen Speicherstick oder Drucker. Die Liste der eingehenden Signale der SPS (von Schaltern, Sensoren, Leistungsschaltern usw.) kombiniert mit ausgehenden Befehlen (an Motoren, Lichter, Ventile und dergleichen) ist so lang wie die Operationen, die sie steuert, komplex sind.

Aber der fundamentalste Unterschied zwischen SPS und Personal Computern ist ihre Programmiersprache. Ladder Logic (oder Leiterdiagramm) kodiert Betriebsanweisungen sequenziell, in einer Weise, die direkt nach dem Fluss der Arbeit durch ein Schema elektrischer Relais modelliert ist. Dies macht es extrem ingenieurfreundlich. Und neben einer kleinen Anzahl anderer einfacher Sprachen, namentlich Function Block Diagram, bleibt es die Standardprogrammiermethode.

SPS kommunizieren mit Frequenzumrichtern entweder durch direkte Steuersignale oder durch ein digitales Kommunikationsprotokoll (Modbus war lange der beliebteste) oder durch beides in Kombination. Der volle Bereich von Gerätebefehlen kann somit ausgeführt werden: von der Anweisung an den Antrieb, den Motor einfach laufen zu lassen und in welche Drehrichtung, bis hin zur alles entscheidenden Echtzeitanpassung von Beschleunigungs- und Verzögerungsparametern.

Das Potenzial von Antrieben, Motoren mit optimaler Geschwindigkeit zu betreiben, kann nur vollständig realisiert werden, wenn sie in Echtzeit-Zweirichtungskommunikation mit SPS stehen. Es ist die SPS, die die Leistung des Antriebs überwacht, kontinuierlich Status und Fehlercodes prüft, die sich beispielsweise aus dem Vergleich von Soll- und Ist-Ausgangsstrom ergeben. Die Art und Weise, wie diese Überwachung des Ausgangs die Natur der Antriebsbefehle beeinflusst, ist entscheidend für die Intelligenz des Systems.

Auswirkungen der SPS auf die Automatisierungsindustrie

SPS hatten eine revolutionäre Wirkung auf die Automatisierungsindustrie, indem sie Einblick in und Kontrolle über komplexe mechanische Systeme ermöglichten – weit entfernt von den Tagen, als ein einzelner nicht identifizierter „Fehler“ den größten Teil einer Fertigungsanlage zum Stillstand bringen konnte. Und ihr anhaltender Erfolg über die Jahre war zu großen Teilen auf ihre wesentliche Einfachheit zurückzuführen – für all ihre Rechenleistung.

Keine Technologie bleibt jedoch unberührt vom Fortschritt. Und SPS sind am Ende genauso gebunden wie alles andere, wesentliche Entwicklungen in der Art und Weise widerzuspiegeln, wie Maschinen und Geräte gebaut werden.

Kontinuierliche Entwicklung

Miniaturisierung insbesondere – genau die Kraft, die frühe elektronische Aktivität von der Relaiswand auf die Leiterplatte transponierte – macht Prozessoren, Komponententeile und Leiterplatten selbst immer kompakter. SPS werden infolgedessen leistungsstärker (schneller und mit dramatisch verbesserter Speicherkapazität), während sie an Größe abnehmen. Eine einzelne SPS kann jetzt leicht die Arbeit mehrerer ihrer Vorgänger erledigen. Solcher Fortschritt zeigt sich in ihrer Fähigkeit, mehrere Kommunikationsprotokolle gleichzeitig zu unterstützen oder der Tatsache, dass ihre Softwareentwickler verschiedene Programmiersprachen mischen und kombinieren können.

Die Ironie hier ist natürlich, dass diese Größenordnung an Fähigkeit in der Tat nicht für die Steuerung vieler Geräte, Antriebe eingeschlossen, notwendig ist. Wo einfache Effizienz Priorität hat, kann komplexe Fähigkeit im besten Fall irrelevant und im schlimmsten Fall eine Haftung sein (beispielsweise in Bezug auf Cybersicherheit). Aus diesem Grund hat sich eine neue Generation von Maschinencontrollern – kompakte SPS-ähnliche Geräte – entwickelt, um einen Teil der Arbeit zu übernehmen, aus der High-End-SPS herausgewachsen sind.

Begrenzter als eine SPS in Bezug auf Speicher und Ein-/Ausgangskapazität, ist ein Controller dieses Typs für einen Frequenzumrichter, onboard geliefert, maßgeschneidert programmiert und mit einer intuitiven grafischen Oberfläche, relativ kostengünstig, zeitsparend und einfach zu bedienen (sowie in das größere Netzwerk oder System zu integrieren).

SPS und Antriebe, die perfekte Kombination?

Die traditionelle Beziehung zwischen Antrieben und SPS durchläuft daher eine Zeit des Wandels. Es ist ein Umbruch, den vielleicht nur alte Systemarchitekturen nicht überleben könnten. Das fundamentale Prinzip – von Antrieben, die durch Programmierleistung smart gemacht werden – ist so voll aufgeladen wie eh und je.