Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt anhand der Siemens S7-CPU313C SPS ein typisches industrielles Steuerungssystem vor. Das System ist kompakt, ausgereift, praxistauglich und bietet eine hohe Erweiterbarkeit, wodurch es sich für verschiedene industrielle Steuerungssysteme eignet. Schlüsselwörter: SPS, Mensch-Maschine-Schnittstelle, Frequenz-Drehzahlregelung. I. Einleitung: Mit der rasanten Entwicklung der Mikroelektronik und der zunehmenden Komplexität und Reife der Steuerungstechnik werden SPS als Kernkomponenten der industriellen Steuerung immer leistungsfähiger, kompakter und arbeiten schneller und zuverlässiger. Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) haben sich grundlegend von der traditionellen Bedienung über Tasten und Kontrollleuchten gelöst und bieten benutzerfreundlichere, flexiblere und vielfältigere Bedienoberflächen. Ihre leistungsstarken Speicher- und Kommunikationskapazitäten bieten Geräteherstellern und -anwendern ungeahnte Vorteile und Komfort, und die Ablösung traditioneller Bedienoberflächen ist ein unaufhaltsamer Trend. Frequenzumrichter zur herkömmlichen Motordrehzahlregelung haben die frühere einfache V/f-Regelung längst überholt und entwickeln sich rasant in Richtung sensorloser Vektorregelung und direkter Drehmomentregelung, was zu ihrer breiten Anwendung in verschiedenen Branchen führt. II. Prozessablauf der Anlage: Die vollautomatische Seitensiegel-Verpackungsmaschine AP-5022 ist eine von unserem Unternehmen entwickelte und gefertigte Hochgeschwindigkeits-Dreiseitensiegelmaschine, die auf Basis vergleichbarer ausländischer Anlagen konstruiert und optimiert wurde. Sie eignet sich für die Schrumpffolienverpackung von Produkten in der Lebensmittel-, Pharma-, Hygiene- und Bildungsbranche. Der Bewegungsmechanismus der AP-5022 besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: Der Folienzuführungsmotor und der Folienabfuhrmotor steuern die Zufuhr der Schrumpffolie und das Recycling der Abfallfolie. Die Drehzahlregelung erfolgt stufenlos über einen Frequenzumrichter. Die Zuführ- und Abführförderbänder werden jeweils von einem Motor angetrieben. Die Drehzahlregelung über den Frequenzumrichter ermöglicht eine stufenlose Anpassung der Zuführ- und Abführgeschwindigkeit zwischen 0 und 40 Metern pro Minute, um verschiedene Verpackungsgegenstände zu verarbeiten. Der Quersiegel- und Schneidemotor steuert die Auf- und Abwärtsbewegung des Quersiegelmessers, während die Auf- und Abwärtsbewegung des Längssiegelmessers über einen Zylinder gesteuert wird. Die AP-5022 verfügt über zwei analoge Signale: Temperatur und Geschwindigkeit. Der Temperaturregelkreis wandelt die Siegel- und Schneidtemperatursignale in Längs- und Querrichtung mittels Temperaturtransmittern in 4-20-mA-Signale für die SPS-Abtastung um. Das über die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) eingestellte Förderbandgeschwindigkeitssignal wird von der SPS digital verarbeitet, anschließend per D/A-Wandlung in ein 0-10-V-Signal umgewandelt und an den Analogeingang des Frequenzumrichters zur Steuerung der Förderbandgeschwindigkeit gesendet. III. Hardwarekonfiguration: Basierend auf dem oben beschriebenen Anlagenprozessablauf und unter Berücksichtigung der Erweiterbarkeit und Exportanforderungen der Anlage wurde entschieden, die kompakte SPS SIEMENS S7-CPU313C und das HMI TP170B als zentrale Steuerungselemente für das Steuerungssystem dieser Anlage einzusetzen. Das Blockdiagramm der spezifischen Konfiguration ist in Abbildung 1 dargestellt. Die S7-CPU313C ist ein kürzlich eingeführtes, leistungsstarkes CPU-Modul von Siemens, das sich durch ein kompaktes Design und ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis auszeichnet. Das Modul integriert 24DI/16DO, einen 4-Kanal-Analogeingang, einen 1-Kanal-Pt100-RTD-Eingang und einen 2-Kanal-Analogausgang und bietet so eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit. Die analogen Ein- und Ausgangssignale lassen sich flexibel per Programmiersoftware auswählen, darunter die Signalarten ±10 V, 0–10 V, ±20 mA und 0/4–20 mA, um unterschiedlichsten Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Darüber hinaus unterstützt dieses CPU-Modul verschiedene Funktionsmodule der S7-300-Serie, wie z. B. Hochgeschwindigkeitszählmodule und Positioniermodule, und ermöglicht so eine flexible und komfortable Systemerweiterung. Das im Diagramm dargestellte TP-170B verwendet einen 32-Bit-Mikroprozessor auf Basis der Windows CE-Betriebssystemplattform und gewährleistet so einen schnellen und zuverlässigen Betrieb. Es unterstützt bis zu 500 Benutzerschnittstellen, 1000 Variablen und 100 Benutzerrezepte und kann bis zu 1200 Produktdatensätze speichern, um den vielfältigen Anwendungsanforderungen der Anwender gerecht zu werden. Die Mehrpunkt-MPI-Schnittstelle ist in die S7-CPU313C integriert und ermöglicht die gleichzeitige Kommunikation mit einer S7-SPS, einem Programmiergerät oder einem HMI über einen PROFIBUS-Anschluss. Die Standard-Übertragungsrate beträgt 187,5 kbit/s, kann aber auch auf 19,2 kbit/s reduziert werden. Dies gewährleistet ein komfortables, schnelles, zuverlässiges und einfaches Kommunikationsnetzwerk. IV. Softwaresteuerung Die Software dieser Maschine besteht aus zwei Teilen: dem SPS-Steuerungsprogramm und der HMI-Bedienoberfläche. Das SPS-Steuerungsprogramm bildet den Kern der Maschinensteuerung. In Kombination mit den strukturierten Programmierfunktionen der Siemens S7-Serie ist das Steuerungsschema des SPS-Programms in Abbildung 2 dargestellt: Im Diagramm entspricht das Organisationsmodul OB1 dem Programmbaustein des Hauptprogramms, dem Rückgrat des STEP 7-Programms. Die meisten anderen OBs entsprechen verschiedenen Interrupt-Handlern. Jedes OB ist eng mit seinem Typ und seiner Priorität verknüpft. OB1 hat die relativ niedrige Priorität 1 und kann daher in der Regel von anderen OBs unterbrochen werden. Die Steuerfunktionsmodule FC1-FC8 führen je nach aktuellem Betriebszustand der Anlage entsprechende Steuerfunktionen aus und steuern die zugehörigen Geräte. Die Temperaturregelungsmodule FC10 und FC11 erfassen die aktuellen Temperatursignale in horizontaler und vertikaler Richtung, führen eine D/A-Wandlung und digitale Verarbeitung durch, vergleichen das Ergebnis mit der Solltemperatur und steuern anhand dieses Vergleichs die Heizungen in horizontaler und vertikaler Richtung. Schaltfrequenz und Ansprechgeschwindigkeit der Heizungen lassen sich über die Parameter des PID-Reglers einstellen. Das gemeinsame Datenmodul DB100 speichert den aktuellen Betriebszustand und die Betriebsart der Anlage, insbesondere die Soll- und Istwerte der Siegel- und Schneidetemperaturen in horizontaler und vertikaler Richtung, die Sollwerte der Förderbandgeschwindigkeiten sowie die Sollwerte verschiedener einzustellender Timer und Zähler. Die gespeicherten Daten können jederzeit von verschiedenen Funktionsmodulen abgerufen werden. V. Fazit: Die vollautomatische Seitensiegel-Verpackungsmaschine AP-5022 befindet sich in Serienproduktion, wird exportiert und zeichnet sich durch hohe Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit aus. Die zuvor genannte Hardwarekonfiguration ist ausgereift und effizient und eignet sich für verschiedene industrielle Steuerungsanwendungen. Referenzen: 1. SIEMENS 《SIMATIC STEP7 V5.3 Programmierung》 Dezember 2004 2. SIEMENS 《S7-300/400 Kontaktplanprogrammierung》 Januar 2004 3. SIEMENS 《TP170A/B Gerätehandbuch》 Dezember 2001 4. 《S7-300/400 SPS-Anwendungstechnik》, herausgegeben von Liao Changchu, Januar 2005 Autor: Xue Guiqing Arbeitseinheit: Ouhua Packaging Equipment (Shenzhen) Co., Ltd. Adresse: 1. Stock, Dongsheng Industriepark, Gushu 1st Road, Xixiang Town, Bao'an District, Shenzhen Postleitzahl: 518101 Tel.: 13714139579 Fax: 0755-27495079 Autor: Nie Junming Arbeitseinheit: Shenzhen Shenji Electromechanical Co., Ltd. Adresse: Raum 1514-1518, Chuangzhan Center, Nr. 6007 Shennan Avenue, Futian District, Shenzhen, China Postleitzahl: 518040 Tel.: 0755-83867482 Fax: 0755-83867233