Automatisieren mit SPS

Wie jedes Lehrbuch der Automatisierungstechnik ringt auch dieses mit der Informationsfülle. An zahlreichen Beispielen wird die Anwendung der Theorie gezeigt und verständlich gemacht. Trotzdem wird einem Einsteiger die moderne Automatisierungstechnik als ein unübersichtlich großes und kompliziertes Fachgebiet erscheinen. Das liegt vor allem daran, dass sich die Automatisierungstechnik auf die Anwendung einer sich rasch entwickelnden Informationstechnologie stützt und dadurch immer neue Anwendungsfelder erschließt. Es erleichtert die Einarbeitung in die Informationsfülle ein wenig, wenn man zunächst die übergeordneten Gesichtspunkte kennen lernt, um sich erst danach den wichtigen Einzelheiten zuwendet. In diesem Sinne sind die nachfolgenden Ausführungen dieses Kapitels zu sehen.

Die derzeit am weitesten verbreitete Hardware-Plattform der Steuerungstechnik ist die Speicherprogrammierbare Steuerung SPS. Eine Speicherprogrammierbare Steuerung hat die Struktur eines Rechners, deren Funktion als Programm gespeichert ist. Sie besteht im einfachsten Fall aus einer Stromversorgung PS, einem Steuerungsprozessor CPU, einigen zentralen digitalen Eingabe- und Ausgabebaugruppen sowie einem internen Bussystem. Bei Bedarf können auch Baugruppen zur Analogwertverarbeitung oder für besondere Funktionen wie Regler, schnelle Zähler und Positionierungen hinzukommen. Die Peripheriebaugruppen und die Programmiersprachen sind auf die Belange der Steuerungstechnik ausgerichtet. Speicherprogrammierbare Steuerungen gibt es als modulare und kompakte Systeme für unterschiedliche Anforderungsniveaus.

Eines der wichtigsten Konzepte der SPS-Norm DIN EN 61131-3 ist die explizit auszuführende Deklaration von Variablen und Konstanten mit Festlegung eines zugehörigen Datentyps. Es soll nachfolgend gezeigt werden, wie dies mit dem Programmiersystem STEP 7 zu realisieren ist. Dabei wird an einigen Stellen auf STEP 7-typische Abweichungen von der Norm hingewiesen.

Werden binäre Signalzustände von Variablen funktional miteinander verbunden, so spricht man von Verknüpfungen. Alle auch noch so komplizierten Verknüpfungen lassen sich aus der Negation NICHT und den beiden Grundverknüpfungen UND und ODER zusammensetzen. Die meisten SPSen bieten noch die XOR Verknüpfung (Exclusiv-ODER) im Operationsvorrat an.

In vielen Steuerungsprogrammen ist es erforderlich, die lineare Programmbearbeitung zu verlassen und alternative Programmzweige auszuführen. Dies kann innerhalb eines Bausteins durch Sprünge, Schleifen oder Bausteinoperationen erfolgen. Bedingte Aufrufe von Funktionen und Bausteinen oder Alternativverzweigungen bei der Ablaufsprache AS führen zu einem Verlassen der linearen Programmbearbeitung. Dies hat zur Folge, dass die Zykluszeit bei jedem Programmdurchlauf unterschiedlich sein kann. Für die verschiedenen Programmiersprachen gibt es unterschiedliche Operatoren bzw. Anweisungen zur Programm-Ausführungssteuerung. Insbesondere in den Programmiersprachen Strukturierter Text ST und Ablaufsprache AS gibt es neben Sprungfunktionen und Bausteinoperationen noch weitere Anweisungen und Möglichkeiten, die Reihenfolge der Programmabarbeitung zu beeinflussen.

Mit Übertragungsfunktionen werden Daten in den Akkumulator (Arbeitsregister) der CPU geladen und ausgelesen oder es wird ein Datenaustausch zwischen den Akkumulatoren veranlasst. Neben dem Datenaustausch zwischen verschiedenen Baugruppen der Steuerung wie den Eingängen, Ausgängen sowie dem Merker- und Datenspeicherbereich finden Übertragungsfunktionen bei STEP 7 noch Anwendung bei den digitalen Operationen wie Vergleichsoperationen, arithmetische Operationen, digitale Verknüpfungen und Schiebefunktionen, welche über die Akkumulatoren der CPU ausgeführt werden. Für diese Operationen sind zwei Akkumulatoren erforderlich. Besitzt die CPU mehr als zwei Akkumulatoren, so können diese zur Zwischenspeicherung von Daten verwendet werden.

Speicherprogrammierbare Steuerungen können bei Vorhandensein bestimmter EIN- und Ausgabebaugruppen analoge Signale aufnehmen bzw. ausgeben. Die eigentliche Informationsverarbeitung innerhalb der CPU erfolgt jedoch digital. Analogeingabebaugruppen wandeln das analoge Prozesssignal in eine digitale Form um. Analogausgabebaugruppen wandeln den digitalen Ausgabewert in ein Analogsignal um.

In diesem Kapitel werden die Grundlagen des Regelns mit Automatisierungsgeräten behandelt sowie der Entwurf und die Realisierung von einfachen Regelungsprogrammen unterschiedlicher Reglerarten gezeigt. Für die einzelnen Reglerfunktionen werden Funktionsbausteine bzw. Funktionen entwickelt, die in die eigene Programmbibliothek aufgenommen werden. Die allgemeinen regelungstechnischen Grundlagen werden vorab nur insoweit beschrieben, wie sie für das Verständnis der dargestellten Regelungsprogramme erforderlich sind.

In diesem Kapitel soll gezeigt werden, was man alles mit Tabellen machen kann, um eine Steuerungsaufgabe auf systematischem Wege einer Lösung zuzuführen. Es gehören dazu Funktionstabellen, RS-Tabellen und Zuordner.

Der Ablauf-Funktionsplan ist eine eigenständige Planart zur prozessorientierten Darstellung von Steuerungsaufgaben. Eine verbale Aufgabenstellung soll aus Gründen der Klarheit und Vollständigkeit durch eine grafische Darstellung ersetzt, die bei der Planung, Inbetriebnahme und Störungssuche hilfreich sein soll. Ein richtig entworfener Ablauf-Funktionsplan muss bereits die Lösung einer entsprechenden Steuerungsaufgabe darstellen.

Digitale Steuerungsaufgaben, deren Lösung auf der Anwendung eines Algorithmus basieren, können vorteilhaft mit grafischen Ablaufstrukturen beschrieben werden. Ein Algorithmus ist dabei eine Berechnungsregel, welche aus mehreren elementaren Schritten besteht, die in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden müssen. Die Beschreibung eines Algorithmus erfolgt durch die Aufzählung der auszuführenden Schritte, sowie der Vorschrift, in welcher Reihenfolge die einzelnen Schritte durchgeführt werden müssen. Der sich dabei ergebende Programmablauf kann mit grafischen Darstellungsmethoden als Programmablaufplan PAP (Flow-Chart) oder Struktogramm STG (PSD Program Structure Diagram) beschrieben werden.

Steuerungsaufgaben, die keinen zwangsläufig schrittweisen Ablauf besitzen und deren Eingangs- und Ausgangsvariablen überwiegend logisch vernetzt sind, können durch die Ein­führung von Zuständen mit grafischen Symbolen beschrieben werden. Der Grundgedanke besteht darin, dass es bei einem Prozessablauf bestimmte Zustände gibt, die zeitlich aufeinan­der folgen können. Bei mehreren möglichen Folgezuständen muss durch äußere Größen be­stimmbar sein, welcher Zustand als nächster folgt. Die grafische Darstellung der Zustände mit deren Übergangsbedingungen (Transitionen) und Aktionen wird als Zustandsgraph bezeich­net. Verwandte Begriffe sind: Zustandsdiagramm, State Diagramm, State Machine, Zustands­übergangsdiagramm, endlicher Automat und Petri-Netze.

In der Automatisierungstechnik vollzieht sich seit Jahren eine Entwicklung, die durch den verstärkten Einsatz von Kommunikationssystemen gekennzeichnet ist. In einem ersten Schritt wurde das Konzept der zentralen Steuerung durch eine Dezentralisierung der Steuerungsperi­pherie abgelöst. Dabei wurden und werden noch heute die Feldgeräte über eine serielle Bus­verbindung mit der Steuerung verbunden. Mit dieser Konzeption lassen sich Kosteneinsparun­gen bei der Verdrahtung und im Schaltschrankbereich erzielen. Im zweiten Schritt kam es zu einer Dezentralisierung der Steuerungsintelligenz. Mehrere intelligente Steuerungseinheiten bewältigen zusammen die gemeinsame Steuerungsaufgabe. Hierbei sind Kosteneinsparungen bei der Softwareentwicklung, Inbetriebnahme und Wartung entscheidend. Der dritte Schritt ist durch die Datendurchlässigkeit zwischen der Produktions- und Büro-Welt gekennzeichnet, um organisatorische und qualifikatorische Ressourcen besser nutzen zu können. Dabei zielen mo­derne Rationalisierungsstrategien auf verbesserte Materialflüsse, transparentere betriebliche Abläufe, schnellere Anpassung an veränderte Auftragssituationen, hohe Verfügbarkeit und Fernwartung der Anlage ab. Ganz neue Möglichkeiten ergeben sich für die Automatisierung durch die Nutzung von E-Mail- und Web-Server-Diensten.

AS-i ist die Abkürzung für Aktor-Sensor-Interface. Aktoren und Sensoren sind überwiegend einfache Buskomponenten, die Bit-Signale erfordern oder liefern die für den Betrieb eines Anlagenprozesses nötig sind. Interface bedeutet soviel wie Kopplungselektronik, die bei AS-i in Form eines einfachen Bussystems mit einem aktiven Busmaster und reaktiven Bus-Slaves angeboten wird. Die Bus-Slaves gibt es als Buskomponenten für den externen Anschluss von konventionellen Aktoren oder Sensoren und als Buskomponenten mit integrierten Aktoren oder Sensoren. AS-Interface erlaubt auch die Eigenentwicklung von Slaves für besondere Funktionen durch Bezugsmöglichkeit beschaltbarer AS-i-Chips (ASICs). Der Busmaster serg unr für die Funktion des Kommunikationssystems und verfügt über eine Ankopplung zu einem Steuerungsgerät, das für die Steuerungslogik (Programm) zuständig ist. Die Verbindung zwischen den Buskomponenten wird über eine besondere Zweidrahtleitung hergestellt. Zusätzlich ist noch ein AS-i-Netzteil erforderlich, das eine genau spezifizierte Gleichspannung über eine Daten-Entkopplungsinduktivität in das Bussystem einspeist.

Der Name PROFIBUS ist die Abkürzung von PROcess FIeld BUS. Dabei handelt es sich um ein offenes, digitales Kommunikationssystem mit breitem Anwendungsbereich vor allem in der Fertigungs- und Prozesstechnik (Verfahrenstechnik) für schnelle, zeitkritische und komplexe Prozessdatenübertragungen für SPS- oder PC-gesteuerte Anlagen. Dabei ist PROFIBUS ein Feldbussystem unter vielen.

Ethernet-TCP/IP ist ein weltweit erprobter und akzeptierter Standard für lokale Netze im Büro-Umfeld mit Zugang zu ISDN und Internet geworden. Der Datenverkehr in den lokalen Netzen unterscheidet sich wesentlich von dem in Feldbussystemen. Die räumlich eng begrenzten Feldbusse dienen hauptsächlich der zyklischen (wiederholenden) Übertragung von Prozesswerten, um immer deren aktuellen Stand auswerten zu können. Dabei kann die Länge der Datentelegramme als sehr kurz bei AS-i-Bus bis kurz bei PROFIBUS bezeichnet werden. Die in den räumlich ausgedehnteren lokalen Netzen zu übertragenden Datensätze sind dagegen in der Regel umfangreich und nur einmalig zu übertragen. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen den Feldbussystemen und den lokalen Netzen liegt in der zulässigen Übertragungszeit zwischen den Endgeräten. Feldbusse müssen hier die wesentlich schärfere Echtzeitbedingung erfüllen, wenn es z.B. um Steuerungsprozesse schnell laufender Maschinen geht.

Ethernet TCP/IP ist seit vielen Jahren ein etablierter Standard in der Leitebene der Automatisierungstechnik und hat hier die Anwendung der aus dem Bürobereich bekannten Informations-Technologien ermöglicht. Die Verlängerung von Ethernet TCP/IP bis hinunter in die Feldebene war lange Zeit wegen der fehlenden Echtzeitfähigkeit und eines anerkannten Kommunikationsprotokolls für Prozessdaten umstritten. Inzwischen hat die Entwicklung zu mehreren Ethernet-basierten Automatisierungssystemen geführt.

Büro- und Fertigungsabteilungen waren ursprünglich getrennt arbeitende Unternehmensbereiche, deren Kommunikation über Auftragszettel oder andere schriftlich Mitteilungen ablief. Was früher getrennt war, muss jetzt zusammenwachsen. Die neuen Möglichkeiten dazu liefern Ethernet-TCP/IP-Netze und Informationstechnologien wie Internetdienste und OPC-Schnittstellen.

Die Anwendung von Web-Technologien ist auch für die Automatisierungstechnik von Bedeutung. Dabei geht es weniger um die Einbeziehung des Internets sondern um die Nutzung der Standards. Web-Technologien sind nicht auf eine bestimmte Computer-Hardware oder ein Betriebssystem festgelegt. Vorteilhaft für Anwender ist auch die weitgehende Einheitlichkeit der Benutzerinterfaces.

OPC bietet eine standardisierte, offene und herstellerunabhängige Software-Schnittstelle an zur durchgängigen Datenkommunikation zwischen Komponenten der Automatisierungstechnik (SPS) und OPC-fähigen Windows-Applikationen wie z.B. von Excel und Visual Basic.

Für die Sicherheitstechnik von Maschinensteuerungen sind europäische Richtlinien (RL) und Normen (EN), internationale Normen (IEC) und das VDE-Vorschriftenwerk zutreffend. Hinzu kommen noch staatliche Arbeitsvorschriften sowie die Unfallverhütungsvorschriften der Berufsgenossenschaften, die die Betriebe als Betreiber von Maschinen einzuhalten haben. Maßgebend sind hier zumindest Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV), BGV Al (Allgemeine Vorschriften, bisherige VBG 1) und BGV A3 (Elektrische Anlagen und Betriebsmittel, bisherige VBG 4).

Im Sinne der EG-Maschinenrichtlinie gilt als „Maschine“ eine Gesamtheit von miteinander verbundenen Teilen oder Vorrichtungen, von denen mindestens eines beweglich ist. Die für die elektrische Ausrüstung von Maschinen wichtige DIN EN 60204-1 (VDE 0113 Teil 1) enthält im Anhang A (informativ) eine Auflistung von Maschinen, die durch diese Norm abgedeckt sind. Trotzdem gibt es immer wieder Grenzfälle, bei denen zwischen einer Maschine und einer Anlage nach VDE 0100 zu unterscheiden ist. Bestehen hierbei Zweifel, so wird in den „Technischen Informationen“ von Firmen dazu geraten, trotzdem auch die DIN EN 60204-1 (VDE 0113) anzuwenden.

Im Sinne der harmonisierten europäischen Normen ist die vormalige VDE 0113 Ti eine Typ B-Sicherheitsgruppennorm, die inhaltlich identisch ist mit der IEC 204-1. Daraus folgt, dass eine nach DIN EN 60204-1(VDE 0113 T1) ausgerüstete Maschine weltweit Akzeptanz finden kann.

Grundsätzlich ist ein Maschinenhersteller verpflichtet sich mit der Maschinenrichtlinie und den einschlägigen Normen gründlich zu beschäftigen, um die funktionale Sicherheit seiner Maschine auf Grund der verpflichtend vorgeschriebenen Gefahrenanalyse (siehe Kap. 23.3) planen zu können. Die Kenntnis der Normen und Vorschriften ist dabei die eine Sache, die gerätetechnische Umsetzung eine andere.