Schnittstellen in der Automation

Der Einsatz programmierbarer Steuerungen (SPS) durchdringt weiterhin verschiedene Bereiche

Steuerungsanwendungen in der Automation und Industrie und umfasst Verkaufsautomaten oder Höchstgeschwindigkeitsverpackungsmaschinen oder viele Arten von Automatisierungsgeräten, wie Materialbearbeitung und Montagesystemen. Programmierbare Steuerungen (SPS)

haben gelegentlich auch andere Bezeichnungen, wie freiprogrammierbare Steuerung, Automatisierungsgerät, programmierbarer Regler (PAC) und Maschinenautomationsregler (MAC). Trotz fortwährender Evolution sind sie immer noch deutlich als Abkömmlinge der ursprünglichen SPS erkennbar, die vor etwa 40 Jahren aufkamen, und sich weiterhin in Anwendungen auszeichnen, die mit der Verwaltung einer Sequenz von Steuerungsfunktionen in vorhersehbarer und zeitnaher Weise in Reaktion auf eine Vielzahl von Eingangssignalen zu tun haben.

Bevor es die SPS gab, wurden die meisten Maschinensteuerungen und Automatisierungsabläufe durch eine Kombination von einfachen Relaisfunktionen, Zeituhren, Zählern und anderen diskreten Steuerungskomponenten durchgeführt. Während die frühen SPS einfache Vorrichtungen mit begrenzten Funktionen und kleinen Speichereinheiten waren, hat ihr Potenzial im Laufe der Jahre beträchtlich zugenommen. Die ursprünglichen Boolesche Funktionen wie UND, ODER

wurden ersetzt durch mathematische Funktionen und

höhere Ausgabepotenziale, wie vorkonfigurierte Tastverhältnisblöcke (PWM), zusätzlich zu einer Steigerung der Eingabe/Ausgabe-(E/A)-Zähler und beträchtlich verbesserten Optionen für die externe Kommunikation.

PLC-Steuerungen wurden zunehmend differenzierbarer. Daher ist eine große Anzahl von Kategorisierungen heute üblich. Historisch gesehen

wurden die einfachsten Anwendungen durch Steuerungen abgedeckt, die gelegentlich als intelligent Relais bezeichnet werden und eine relativ geringe Zahl von E/A aufweisen, einfache Boolesche Steuerungen beinhalten und keine Hochgeschwindigkeitsfunktionen erfordern. Allgemein werden sie für Prozesse eingesetzt, die einen vordefinierten Ablauf mit begrenzten oder keinerlei Abweichungen aufweisen, wie Parkplatzschranken, Autowaschanlagen, Verkaufsautomaten und einfache Verpackungsmaschinen.

Der nächste, komplexere Typ ist die Kompakt-SPS, die eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit und E/A-Kapazität bietet. Eine zusätzliche  E/A-Erweiterung und ein flexiblerer Betriebsablauf werden unterstützt

– beispielsweise als Reaktion auf Eingriffe des Bedienungspersonals oder auf Ergebnisse der Überwachung von Außenbedingungen. Typische Anwendungen sind u. a. programmierbare Schneidemaschinen oder die Batch-Steuerung von Flaschenabfüllstraßen.

Die dritte Kategorie ist die hochentwickelte SPS, die für noch komplexere Anwendungen mit großen Datenmengen dienen, die einen modularen Strukturansatz erfordern und mit Hochgeschwindigkeit arbeiten müssen bei zusätzlich erweiterten E/A-Ebenen. Ein Beispiel ist die RFID-basierte Sortierung und Wegesteuerung von Produkten in Fördereinrichtungen und Etikettendruck bei hoher Geschwindigkeit.

Eine vierte und weit neuere Kategorie ist die programmierbare Verknüpfungssteuerung (PAC), was zu einem weitläufig austauschbaren Begriff für SPS oder hochentwickelte SPS wurde. Auf vielfältige Weise kombiniert sie die Potenziale eines PC und einer SPS und bietet viele der Vorteile von beiden in einer Einheit. SPS-Anbieter positionieren zunehmend höherwertige SPS als PAC, da diese Produkte für die Programmierung eine höhere Flexibilität bieten, eine größere Speicherkapazität haben, eine bessere Interoperabilität bieten und mehr Optionen der Verbindungsfähigkeit und breiter gefächerte Steuerungspotenziale aufweisen als ihre SPS-Produktlinien. Generell ist ein PAC geeigneter für komplexe Automatisierungsstrukturen, die sich oft aus einer Vielzahl von PC-basierten Softwareanwendungen zusammensetzt, einschließlich HMI-(Mensch-Maschinenschnittstelle)-Funktionen, Anlagenverwaltung usw.

Anforderungen der Prozesssteuerung.

Die Wahl der Steuereinheit, des kompakten oder hochentwickelten SPS oder PAC wird letztlich durch die Anwendung bestimmt aber die Trennlinien zwischen den oben genannten verwischen sich zunehmend, da die Funktionsbreite und das Potenzial von Jahr zu Jahr gesteigert werden. Die meisten Steuerungen bieten nunmehr Erweiterungen bis zu 28 E/A, haben oftmals AC- und DC-Eingänge und Transistor und Relaiseingänge in vielerlei Spannungsbereichen. Darüber hinaus ist ein integrierter PWM-Ausgang für die Steuerung von Motoren eine weitverbreitete Funktionalität. Siemens Logo! und Mitsubishi Alpha 2 sind Beispiele für Steuergeräte, die zur Integrationsfähigkeit mit HMI Bedienfeldern weiterentwickelt wurden

 und Betriebsmeldungen und andere Statusinformationen bieten, die noch vor einigen Jahren die Domäne der kompakten oder hochentwickelten SPS waren.

Da SPS leistungsfähiger und differenzierter wurde, gestalten sich Aufgaben in der Programmierung komplexer. Ursprünglich ausgelegt auf einfache Programmierung, wurden die ersten Geräte direkt über ein Front-Panel-Terminal oder ein Spezialterminal programmiert. Der begrenzte Funktionsbereich bedeutete, dass es oftmals möglich war, eine bestimmte Taste zu integrieren, die für jedes einzelne logische Element des Programms bestimmt war. Die herkömmliche Programmiersprache für SPS ist die Ketten-/Verknüpfungslogik, ein einfaches System, welches das Programm auf Basis eines entsprechenden Schaltschemas der logischen Relais-Hardware grafisch darstellte. Unglücklicherweise sind die Sprachen der Ketten-/Verknüpfungslogik der einzelnen Hersteller nicht kompatibel zueinander und es ist recht irreführend Ketten-/Verknüpfungslogik als Sprache zu bezeichnen, da sie eher ein Programmierungsstil oder eine Familie von Regel-basierten Sprachen sind.

Software hat im Laufe der Jahre eine zunehmend wichtige Rolle in der fortschreitend komplexeren Industrieautomatisierung gespielt. Und die steigenden Softwarekosten können bedeuten, dass sie zum teuersten Teil des Systems werden. Um diese Kosten zu kontrollieren und um eine höhere Effizienz während der Anwendungsentwicklung zu erzielen und dabei gleichzeitig die Qualität der Software zu verbessern, wurde mittels IEC 61131 Norm versucht, einen bestimmten Grad der Standardisierung für SPS-Programmierungssysteme zu erreichen. Bei der Fassung der Norm war PLCopen eine treibende Kraft. Ziel von Teil 3 der IEC 61131 Norm ist die Harmonisierung des Designs und des Betriebsablaufs von industriellen Steuerungssystemen mittels Standardisierung der Programmierung.

Schnittstellen, die einen Team-basierten Ansatz für die Projektspezifikation, das Design, die Implementierung, Überprüfung, Installation und Pflege ermöglichen. Die Norm erkennt vier Programmiersprachen an: Kontaktplan/Kettendiagram (LD) und Funktionsblockschaltschema (FBD) Programmierungen sind beides graphische Systeme, wogegen Strukturtext (ST) und Anweisungsliste (IL) Texttypen sind. Darüber hinaus definiert IEC 61131-3 einen Funktionsablaufplan, der Elemente zur Organisation von Programmen für die sequenzielle und parallele Steuerung beinhaltet.

Ein diesbezüglicher Trend im SPS-Markt ist der Weg hin zur Nutzung geläufigerer und oftmals am Massenmarkt orientierter Kommunikationsschnittstellen, wie USB. In der Vergangenheit wurden die meisten SPS über RS-232 oder RS-485 Anschluss programmiert.

Da aber in den meisten aller mobilen Rechnersysteme diese althergebrachten Kommunikationsanschlüsse nicht mehr eingebaut sind, reagieren die SPS-Hersteller, indem sie die Programmierung über Serienanschluss, USB und zunehmend über Ethernet ermöglichen.

Ein immens wichtiges Element der Evolution der SPS im Laufe der Jahre war die zunehmende Integration der Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI)-Technologie, die beträchtlich steigende logische und grafische Verarbeitungsressourcen mit sich bringt. Wenngleich es vielerlei Aspekte hierzu gibt, ist der vielleicht augenfälligste von allen die zunehmende Nutzung von hochauflösenden grafischen Anzeigen und robusten Touchscreens auf Bedienfeldern als Ersatz für herkömmliche  Geräte wie Anzeigen, Displays und Schalter. Viele SPS-Produktreihen verfügen heutzutage auch über grafische Benutzerschnittstellen, die mehr mit einem Desktop-PC gemeinsam haben als mit den einfachen Tasten und Anzeigen der Vergangenheit. Automation und industrielle Steuerung werden zunehmend abhängig von HMI-Funktionalität, um exakte Steuerungs- und Überwachungsinformationen in Echtzeit zu bieten für industrielle Prozesse, welche beispielsweise eine schnelle Identifizierung von Fehlern ermöglichen.

Um Bedienfeldhersteller in die Lage zu versetzen, gut überlegte, kreative und zuverlässige Entscheidungen über die richtige Lösung für den Bau neuer Installationen zu treffen und ein vorhandenes Gerät aufrüsten und warten zu können, hält RS eine breite Palette von Artikeln führender Markenhersteller auf Lager, wie Mitsubishi, Omron, Schneider Electric, Siemens und Eaton.

Diese umfasst alle Steuergeräte und Komponenten, die erforderlich sind, ein komplettes System, wie Steuerungseinheiten (CPU), E/A-Erweiterungen und Anzeigefelder und andere HMI-Vorrichtungen zu bauen. Zuzüglich bietet RS ein hohes Niveau technischer Unterstützung.