Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Auswahl einer SPS mit einem hohen Preis-Leistungs-Verhältnis und die Entwicklung eines entsprechenden Steuerungssystems. Dabei werden Faktoren wie die Anzahl der SPS-E/A-Punkte, die benötigte Speicherkapazität, die SPS-Funktionen und die Eigenschaften externer Geräte berücksichtigt. Schlüsselwörter: Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS); Speicher; Steuerung; Kommunikation; Programmierung; Redundanz. CLC-Nummer: TP311. Dokumentcode: B. Artikelnummer: 1007-7324(2005)05-0022-03. Autorenbiografie: Bai Xinzhuang (Beijing Yanhua Petrochemical Design Institute, Peking 10250). Bei der Entwicklung eines SPS-Systems ist der erste Schritt die Festlegung des Steuerungsschemas, gefolgt von der SPS-Konstruktion und -Auswahl. Die Merkmale des Prozessablaufs und die Anwendungsanforderungen bilden die Grundlage für die Auswahl. SPS und zugehörige Komponenten sollten integriert und standardisiert sein und nach den Prinzipien der einfachen Integration in das industrielle Steuerungssystem und der einfachen Funktionserweiterung ausgewählt werden. Die ausgewählte SPS sollte ein ausgereiftes und zuverlässiges System mit Betriebserfahrung im relevanten Industriebereich sein. Die Systemhardware, Softwarekonfiguration und Funktionen der SPS müssen mit der Gerätegröße und den Steuerungsanforderungen kompatibel sein. Kenntnisse im Umgang mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), Funktionsdiagrammen und relevanten Programmiersprachen können die Programmierzeit verkürzen. Daher sollten bei der Auswahl und Kostenschätzung im Engineering-Design die Merkmale des Prozessablaufs und die Steuerungsanforderungen detailliert analysiert, die Steuerungsaufgaben und deren Umfang geklärt sowie die erforderlichen Operationen und Aktionen festgelegt werden. Anschließend sollten basierend auf den Steuerungsanforderungen die Anzahl der Ein-/Ausgangspunkte, die benötigte Speicherkapazität, die SPS-Funktionen und die Eigenschaften externer Geräte geschätzt werden. Abschließend sollte eine SPS mit einem hohen Preis-Leistungs-Verhältnis ausgewählt und ein entsprechendes Steuerungssystem entworfen werden. 1. Schätzung der Ein-/Ausgangspunkte (E/A): Bei der Schätzung der Anzahl der E/A-Punkte sollte ein angemessener Sicherheitszuschlag berücksichtigt werden. Typischerweise wird basierend auf der statistisch ermittelten Anzahl der E/A-Punkte ein zusätzlicher Sicherheitszuschlag von 10–20 % hinzugefügt, um die geschätzte Anzahl der E/A-Punkte zu erhalten. Bei der Bestellung muss die Anzahl der E/A-Punkte gemäß den Produktmerkmalen der SPS des Herstellers aufgerundet werden. 2. Schätzung der Speicherkapazität: Die Speicherkapazität bezeichnet die Größe der Hardware-Speichereinheiten, die die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) selbst bereitstellt. Die Programmkapazität hingegen bezeichnet die Größe der Speichereinheiten, die von der Benutzeranwendung im Speicher verwendet werden; daher ist die Programmkapazität kleiner als die Speicherkapazität. Da das Benutzeranwendungsprogramm in der Entwurfsphase noch nicht geschrieben ist, ist die Programmkapazität unbekannt und wird erst nach dem Debuggen des Programms bekannt. Um eine gewisse Schätzung der Programmkapazität während der Entwurfs- und Auswahlphase zu ermöglichen, wird üblicherweise die Speicherkapazität als Ersatzwert verwendet. Es gibt keine feste Formel zur Schätzung der Speicherkapazität. Viele Dokumente bieten unterschiedliche Formeln an, aber im Allgemeinen wird die Gesamtzahl der Wörter (16 Bit pro Wort) mit dem 10- bis 15-Fachen der Anzahl der digitalen E/A-Punkte plus dem 100-Fachen der Anzahl der analogen E/A-Punkte multipliziert, zuzüglich einer Reserve von 25 %. 3. Auswahl der Steuerfunktionen: Diese Auswahl umfasst Merkmale wie arithmetische Funktionen, Steuerfunktionen, Kommunikationsfunktionen, Programmierfunktionen, Diagnosefunktionen und die Verarbeitungsgeschwindigkeit. 3.1 Einfache SPSen bieten grundlegende Betriebsfunktionen wie Logikoperationen, Zeitsteuerung und Zählung. Standard-SPSen beinhalten außerdem Datenverschiebungs- und Vergleichsfunktionen. Komplexere SPSen bieten algebraische Operationen und Datenübertragung. Größere SPSen beinhalten zudem analoge PID-Reglerberechnungen und weitere erweiterte Funktionen. Mit dem Aufkommen offener Systeme verfügen die meisten SPSen heute über Kommunikationsfähigkeiten. Einige kommunizieren mit untergeordneten Maschinen, andere mit gleichrangigen oder übergeordneten Maschinen und manche sogar mit Werks- oder Unternehmensnetzwerken. Bei der Entwicklung und Auswahl einer SPS sollten die benötigten Betriebsfunktionen anhand der tatsächlichen Anwendungsanforderungen ausgewählt werden. Die meisten Anwendungen benötigen lediglich Logikoperationen und Zeit-/Zählfunktionen. Einige Anwendungen erfordern Datenübertragung und -vergleich. Algebraische Operationen, numerische Umrechnungen und PID-Reglerberechnungen werden nur zur Erfassung und Steuerung analoger Signale verwendet. Die Datenanzeige erfordert Dekodierung und Kodierung. 3.2 Zu den Regelungsfunktionen gehören PID-Reglerberechnungen, Vorsteuerungs- und Verhältnisregelungsberechnungen usw. und werden entsprechend den Regelungsanforderungen festgelegt. SPSen werden hauptsächlich für die sequentielle Logiksteuerung eingesetzt; daher werden in den meisten Fällen Ein- oder Mehrschleifenregler zur Regelung analoger Größen verwendet. Manchmal werden dedizierte intelligente Ein-/Ausgabeeinheiten eingesetzt, um die erforderlichen Regelungsfunktionen zu realisieren, die Verarbeitungsgeschwindigkeit der SPS zu erhöhen und Speicherkapazität zu sparen. Beispiele hierfür sind PID-Regler, Hochgeschwindigkeitszähler, Analogeinheiten mit Drehzahlkompensation und ASCII-Codekonverter. 3.3 Kommunikationsfunktionen Große und mittelgroße SPS-Systeme sollten mehrere Feldbusse und Standardkommunikationsprotokolle (wie TCP/IP) unterstützen und bei Bedarf eine Verbindung zum Werksmanagementnetzwerk (TCP/IP) herstellen können. Die Kommunikationsprotokolle sollten den ISO/IEEE-Kommunikationsstandards entsprechen und offene Kommunikationsnetzwerke darstellen. Die Kommunikationsschnittstellen des SPS-Systems sollten serielle und parallele Schnittstellen (RS-232C/422A/423/485), RIO-Schnittstellen, industrielles Ethernet und gängige DCS-Schnittstellen umfassen. Der Kommunikationsbus (einschließlich Schnittstellengeräte und Kabel) großer und mittelgroßer SPSen sollte 1:1-redundant konfiguriert sein, internationalen Standards entsprechen und die Kommunikationsdistanz den tatsächlichen Geräteanforderungen genügen. Im Kommunikationsnetzwerk eines SPS-Systems sollte die Datenrate des übergeordneten Netzwerks über 1 Mbit/s liegen und die Kommunikationslast 6000 Mbit/s nicht überschreiten. Die wichtigsten Formen von SPS-System-Kommunikationsnetzwerken sind: 1) Ein PC als Masterstation und mehrere SPSen desselben Modells als Slavestationen bilden ein einfaches SPS-Netzwerk; 2) Eine SPS als Masterstation und weitere SPSen desselben Modells als Slavestationen bilden ein Master-Slave-SPS-Netzwerk; 3) Das SPS-Netzwerk ist über eine spezifische Netzwerkschnittstelle als Subnetz des großen DCS mit diesem verbunden. 4) Dedizierte SPS-Netzwerke (dedizierte SPS-Kommunikationsnetzwerke verschiedener Hersteller). Um die Kommunikationslast der CPU zu reduzieren, sollten Kommunikationsprozessoren mit unterschiedlichen Kommunikationsfunktionen (z. B. Punkt-zu-Punkt, Feldbus, Industrial Ethernet) entsprechend den tatsächlichen Anforderungen der Netzwerkstruktur ausgewählt werden. 3.4 Programmierfunktion Die SPS-Programmierung umfasst Offline- und Online-Programmierung. Die geeignete Methode sollte während der Planung anhand der Anwendungsanforderungen ausgewählt werden. Offline-Programmiermodus: SPS und Programmiergerät teilen sich eine CPU. Befindet sich das Programmiergerät im Programmiermodus, stellt die CPU dem Programmiergerät lediglich Dienste bereit und steuert die Feldgeräte nicht. Nach Abschluss der Programmierung wechselt das Programmiergerät in den Betriebsmodus, und die CPU steuert die Feldgeräte, kann aber keine Programmierung mehr durchführen. Die Offline-Programmierung reduziert die Systemkosten, ist jedoch umständlicher in der Anwendung und Fehlersuche. Online-Programmierung: CPU und Programmiergerät verfügen jeweils über eine eigene CPU. Die Host-CPU ist für die Feldsteuerung zuständig und tauscht innerhalb eines Zyklus Daten mit dem Programmiergerät aus. Das Programmiergerät sendet das online kompilierte Programm oder die Daten an den Host. Im nächsten Zyklus führt der Host das neu empfangene Programm aus. Diese Methode ist zwar teurer, bietet aber eine komfortable Systemfehlersuche und -bedienung und wird häufig bei mittelgroßen und großen SPSen eingesetzt. Fünf standardisierte Programmiersprachen stehen zur Verfügung: Ablaufdiagramm (SFC), Kontaktplan (LD) und Funktionsbausteindiagramm (FBD) – drei grafische Sprachen – sowie Anweisungsliste (IL) und Strukturierter Text (ST) – zwei textbasierte Sprachen. Die gewählte Programmiersprache muss der Norm IEC 61131-3 entsprechen und zudem verschiedene Programmiersprachen wie C, Basi usw. unterstützen, um den Steuerungsanforderungen spezieller Anwendungen gerecht zu werden. 3.5 Diagnosefunktionen: Die Diagnosefunktionen einer SPS umfassen Hardware- und Softwarediagnose. Die Hardwarediagnose lokalisiert Hardwarefehler durch logische Analysen. Die Softwarediagnose wird in interne und externe Diagnose unterteilt. Die interne Diagnose untersucht die internen Abläufe und Funktionen der SPS mithilfe von Software, während die externe Diagnose die Informationsaustauschfunktionen der SPS-CPU und externer Ein-/Ausgabekomponenten mithilfe von Software untersucht. Die Leistungsfähigkeit der SPS-Diagnosefunktionen beeinflusst direkt die erforderlichen technischen Kenntnisse des Bedien- und Wartungspersonals und wirkt sich auch auf die mittlere Reparaturzeit (MTBL) aus. 3.6 Verarbeitungsgeschwindigkeit SPS arbeiten mit einem Scanverfahren. Aus Echtzeitsicht ist eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit vorteilhaft. Ist die Signaldauer kürzer als die Scanzeit, kann die SPS das Signal nicht scannen, was zu Datenverlust führt. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit hängt von der Länge des Anwenderprogramms, der CPU-Geschwindigkeit und der Softwarequalität ab. Moderne SPS-Systeme bieten schnelle Reaktionszeiten und hohe Geschwindigkeiten. Die Ausführungszeit jeder Binäranweisung beträgt ca. 0,2–0,4 Sekunden. Damit erfüllen sie die Anforderungen von Anwendungen, die eine hohe Steuerung und schnelle Reaktionszeiten erfordern. Der Scanzyklus (Prozessor-Scanzyklus) sollte folgende Anforderungen erfüllen: Bei kleinen SPS sollte die Scanzeit 0,5 ms/K nicht überschreiten; bei mittleren und großen SPS sollte sie 0,2 ms/K nicht überschreiten. 4. Modellauswahl 4.1 SPS-Typen SPS werden anhand ihrer Struktur in zwei Typen unterteilt: integrierte und modulare SPS. Sie werden außerdem nach ihrem Einsatzumfeld in zwei Typen unterteilt: Feldinstallation und Installation im Kontrollraum. Entsprechend der CPU-Wortlänge erfolgt die Klassifizierung in 1-Bit, 4-Bit, 8-Bit, 16-Bit, 32-Bit, 64-Bit usw. Aus Anwendungssicht basiert die Auswahl üblicherweise auf den Steuerungsfunktionen oder der Anzahl der Ein-/Ausgangspunkte. Integrierte SPSen verfügen über eine feste Anzahl von E/A-Punkten, was die Auswahlmöglichkeiten für den Anwender einschränkt und sie für kleine Steuerungssysteme geeignet macht. Modulare SPSen bieten eine Vielzahl von E/A-Karten oder -Steckplätzen, die es dem Anwender ermöglichen, die Anzahl der E/A-Punkte im Steuerungssystem gezielter auszuwählen und zu konfigurieren. Die Funktionserweiterung ist komfortabel und flexibel, und sie werden im Allgemeinen in mittleren und großen Steuerungssystemen eingesetzt. 4.2 Auswahl der Ein-/Ausgangsmodule Die Auswahl der Ein-/Ausgangsmodule sollte die Übereinstimmung mit den Anwendungsanforderungen berücksichtigen. Beispielsweise sollten bei Eingangsmodulen Anwendungsanforderungen wie Signalpegel, Signalübertragungsdistanz, Signalisolation und Signalversorgungsmethode berücksichtigt werden. Bei Ausgangsmodulen sollte der Typ des auszuwählenden Ausgangsmoduls berücksichtigt werden. Relaisausgangsmodule zeichnen sich im Allgemeinen durch einen niedrigen Preis, einen breiten Betriebsspannungsbereich, eine kurze Lebensdauer und eine lange Ansprechzeit aus. Thyristorausgangsmodule eignen sich für häufige Schaltvorgänge und Lasten mit niedrigem induktiven Leistungsfaktor, sind jedoch teurer und weisen eine geringere Überlastfähigkeit auf. Ausgangsmodule umfassen DC-, AC- und Analogausgänge, die den Anwendungsanforderungen entsprechen sollten. Intelligente Ein-/Ausgabemodule können entsprechend den Anwendungsanforderungen ausgewählt werden, um die Steuerungsgenauigkeit zu verbessern und die Anwendungskosten zu senken. Es ist zu prüfen, ob Erweiterungs- oder Remote-I/O-Racks benötigt werden. 4.3 Auswahl der Stromversorgung: Die Stromversorgung für die SPS sollte gemäß der Produktanleitung bei der Inbetriebnahme der SPS ausgelegt und ausgewählt werden. Im Allgemeinen sollte die Stromversorgung für die SPS auf 220 V AC ausgelegt und ausgewählt werden, entsprechend der Netzspannung. In wichtigen Anwendungen sollten unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) oder geregelte Netzteile verwendet werden. Verfügt die SPS selbst über ein nutzbares Netzteil, sollte der bereitgestellte Strom geprüft werden, um festzustellen, ob er den Anwendungsanforderungen entspricht; andernfalls muss eine externe Stromversorgung ausgelegt werden. Um zu verhindern, dass durch Fehlbedienung externe Hochspannung in die SPS gelangt, ist eine galvanische Trennung der Ein- und Ausgangssignale erforderlich. Zur Trennung können mitunter einfache Dioden oder Sicherungen verwendet werden. 4.4 Speicherauswahl Dank der Entwicklung der integrierten Chiptechnologie sind die Speicherpreise gesunken. Um den ordnungsgemäßen Betrieb der Anwendung zu gewährleisten, ist daher für 256 E/A-Punkte in der Regel eine Speicherkapazität der SPS von mindestens 8 KB erforderlich. Bei komplexen Steuerungsfunktionen sollte ein Speicher mit größerer Kapazität und höherer Qualität gewählt werden. 4.5 Auswahl der Redundanzfunktionen 4.5.1 Redundanz der Steuereinheit 1) Wichtige Prozesskomponenten: CPU (einschließlich Speicher) und Netzteil sollten 1:1-redundant sein. 2) Bei Bedarf kann ein Hot-Standby-Redundanzsystem oder ein dual- oder dreifach-redundantes, fehlertolerantes System aus SPS-Hardware und Hot-Standby-Software gewählt werden. 4.5.2 Redundanz der E/A-Schnittstelleneinheit 1) Mehrpunkt-E/A-Karten im Regelkreis sollten redundant konfiguriert sein. 2) Für wichtige Messpunkte können redundante Mehrpunkt-E/A-Karten konfiguriert werden. 3) Für wichtige E/A-Signale können je nach Bedarf Dual- oder Triple-E/A-Schnittstelleneinheiten ausgewählt werden. 4.6 Wirtschaftliche Überlegungen Bei der Auswahl einer SPS sollte das Preis-Leistungs-Verhältnis berücksichtigt werden. Dabei sind Skalierbarkeit, Bedienbarkeit und das Ein-/Ausgangsverhältnis der Anwendung gleichermaßen zu betrachten. Vergleiche und Abwägungen sind erforderlich, um ein optimales Produkt auszuwählen. Die Anzahl der Ein-/Ausgangspunkte hat direkten Einfluss auf den Preis. Jede zusätzliche E/A-Karte erhöht die Kosten. Steigt die Anzahl der Punkte über einen bestimmten Wert, müssen auch Speicherkapazität, Rack, Motherboard usw. entsprechend angepasst werden. Daher beeinflusst die Erhöhung der Punktanzahl die Auswahl von CPU, Speicherkapazität, Steuerfunktionsbereich usw. Abbildung 1 zeigt den Zusammenhang zwischen der Gesamtpunktzahl und dem Preis. Diese Faktoren sollten bei der Kalkulation und Auswahl umfassend berücksichtigt werden, um ein optimales Preis-Leistungs-Verhältnis des gesamten Steuerungssystems zu gewährleisten. Literaturhinweise: 1 Lu Demin, Huang Buyu, Zhang Zhenji u. a. Petrochemical Automatic Control Design Manual (Dritte Auflage). Beijing: Chemical Industry Press, 2001. S. 789–850. 2 Liu Qizhong. PLC and its communication with computers. Petrochemical Automation, 2003, (6): 41–43.