Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt den Einsatz von SPS und Industrie-PC in einer chemischen Wasseraufbereitungsanlage eines Kraftwerks. Er erläutert die grundlegenden Systemkomponenten und analysiert typische Probleme bei der SPS-Programmierung und der Konfiguration der Software für den Industrie-PC. Schlüsselwörter: Industrie-PC; Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS); Datenkommunikation; Strukturierte Programmierung; Industrie-Steuerungssoftware. 1. Systemaufbau: Die Basisausrüstung der chemischen Wasseraufbereitungsanlage eines Kraftwerks zeichnet sich durch gute Steuerbarkeit aus. Sie wird mittels SPS und Industrie-PC in Echtzeit überwacht und gesteuert. Der Systemaufbau ist in Abbildung 1-1 dargestellt. Drei speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) vom Typ Siemens SIMATIC S5-115U steuern die primären Anlagenteile. Das speicherprogrammierbare Steuerungssystem ist in drei Einheiten unterteilt: #1 Speisewasseraufbereitungseinheit, #2 Speisewasseraufbereitungseinheit und #3 Kondensataufbereitungseinheit. Zwei Industrie-PCs vom Typ Advantech 586 dienen als Bedienerstationen. Als Softwareentwicklungsplattform wird die Konfigurationssoftware FIX 5.5 von Intellution (USA) verwendet. FIX 5.5 ist eine umfassende Software für die industrielle Automatisierung mit Datenerfassung und -steuerung, Alarmfunktionen und grafischer Datendarstellung. Diese Version läuft unter Windows oder Windows NT und verfügt über eine grafische Benutzeroberfläche; die interne Grafikverarbeitung basiert auf Grafiktechnologie der dritten Generation. Das Datenkommunikationssystem nutzt ein SINEC L2-Netzwerk, das speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) der SIMATIC-Serie mit Industrie-PCs verbindet. SINEC L2 ist ein Token-Bus-Netzwerk, das verdrillte Zweidrahtleitungen oder Glasfaserkabel als Übertragungsmedium verwendet. Jeder Knoten ist über einen Busanschluss mit dem Busnetzwerk verbunden. In diesem System erfolgt die Datenkommunikation zwischen den drei SPSen sowie zwischen den SPSen und den beiden Industrie-PCs. Diese Konfiguration verdeutlicht die Vorteile eines verteilten Steuerungssystems: dezentrale Steuerungsfunktionen und zentrales Betriebsmanagement. Dezentrale Steuerungsfunktionen ermöglichen schnellere Echtzeitreaktionen und die Verteilung von Systemstörungen, während das zentrale Betriebsmanagement die zentrale Verwaltung erleichtert. Die Konfiguration bietet zudem Redundanz. 2. SPS und ihre Programmierung 2.1 SIMATIC S5-115U – Hardwareaufbau und Programmierübersicht Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) SIMATIC S5-115U ist modular aufgebaut. Netzteil, CPU und verschiedene E/A-Module sind auf einer einzigen Hauptplatine integriert. Erweiterungs-Hauptplatinen können je nach E/A-Anforderung hinzugefügt werden. Die feine hierarchische Struktur der Ein-/Ausgabemodule und des Speichers ermöglicht eine hohe Konfigurationsflexibilität. Die Kommunikation zwischen SPSen und mit einem Computer erfolgt einfach über einen Kommunikationsprozessor und ein lokales Netzwerk (LAN). Die Programmiersprache der SIMATIC S5-115U ist STEP5 mit drei Ausdrucksmethoden: Control System Flowchart (CSF), Kontaktplan (LAD) und Statement List (STL). STL ist dem internen Steuerungsprogramm der Maschine am nächsten und bietet einen deutlich größeren Funktionsumfang als die anderen beiden Methoden. Daher wird STL ausschließlich für die Programmierung dieses Systems verwendet. Das wichtigste Merkmal von STEP5 ist sein strukturierter Programmieransatz mit zahlreichen Standardfunktionsbausteinen wie dem Multiplikationsfunktionsbaustein FB242 und dem Kommunikationsfunktionsbaustein FB244. Dies vereinfacht die Programmierung erheblich und führt zu gut strukturierten Programmen, die leicht lesbar, modifizierbar und testbar sind. Dieser Vorteil zeigt sich besonders bei der Entwicklung großer und komplexer Programme. Um komplexe Aufgaben zu bewältigen, kann das gesamte Programm in unabhängige Programmbausteine ​​unterteilt werden. STEP5 bietet fünf Bausteintypen: Organisationsbausteine ​​(OB), Programmbausteine ​​(PB), Sequenzbausteine ​​(SB), Funktionsbausteine ​​(FB) und Datenbausteine ​​(DB). Organisationsbausteine ​​(OB) verwalten Benutzerprogramme und bilden die Schnittstelle zwischen Betriebssystem und Steuerungsprogramm; alle anderen Bausteintypen werden von hier aus aufgerufen und ausgeführt. Funktionsbausteine ​​(FB) dienen der Implementierung wiederholt aufgerufener oder besonders komplexer Programmfunktionen. Diese Funktionsbausteine ​​können vom System als Standardfunktionsbausteine ​​bereitgestellt oder vom Benutzer erstellt werden. Beispielsweise kann der Standardfunktionsbaustein FB242 die 16-Bit-Binärmultiplikation implementieren, und FB244 kann den Datenaustausch zwischen CPU und Kommunikationsprozessor realisieren. Diese Funktionsbausteine ​​können bei Bedarf direkt aufgerufen werden. 2.2 Die Gestaltung des großen Programms für SIMATIC S5-115U erfolgt am Beispiel des Steuerungsprogramms der Wasseraufbereitungsanlage Nr. 1 dieses Systems. Die Hauptanweisungen im Organisationsblock OB1 lauten wie folgt und vervollständigen den unbedingten Aufruf jedes Funktionsbausteins: JU FB1 (definiert die von PLC1 an die beiden Industrierechner übertragenen Daten), JU FB2 (definiert die von den beiden Industrierechnern an PLC1 übertragenen Daten), JU FB231 (schließt die Grundeinstellungen für die Kommunikation zwischen PLC1 und den beiden Industrierechnern ab), JU FB232 (schließt die Grundeinstellungen für die Kommunikation zwischen PLC1 und PLC2, PLC3 ab), JU FB4 (implementiert automatische Steuerungs- und ruckfreie Schaltfunktionen), JU FB3 (pneumatische und elektrische Türsteuerung), JU FB10 (implementiert analoge Signalverarbeitungsfunktionen), JU FB11 (Alarmverarbeitung). In FB1 und FB2 werden die zu übermittelnden Daten in die entsprechenden Bits eines Datenblocks wie DB10 geschrieben, um die Konsistenz mit den Variablen im Kommunikationsprozessor zu gewährleisten. In FB231 werden die beiden von STEP5 bereitgestellten Standardfunktionsbausteine ​​FB244 (Daten senden) und FB245 (Daten empfangen) aufgerufen. Anschließend werden die erforderlichen Parameter wie Schnittstelle und Auftragsnummer gemäß dem Kommunikationsprozessor eingetragen, um die Datenkommunikation zu realisieren. In FB232 werden die zwischen den drei SPSen zu übertragenden Daten anhand der vom Kommunikationsprozessor zugewiesenen Datenbits definiert. In FB4 werden die von anderen Funktionsbausteinen und E/A-Modulen übertragenen Daten basierend auf den Anforderungen des Produktionsprozesses und den Betriebsspezifikationen vollständig genutzt, um eine automatische Steuerung und nahtlose Systemumschaltung zu gewährleisten. Aufgrund der Ähnlichkeit mehrerer gesteuerter Objekte werden jeweils die repräsentativen Funktionsbausteine ​​FB20, FB30 und FB40 kompiliert. Beispielsweise wird FB20 in FB4 mehrfach aufgerufen, um die Programmschrittzeit in der SPS mit der Anzeigezeit auf dem Bildschirm des Industriesteuerungsrechners abzugleichen. Darüber hinaus ruft FB20 den Multiplikationsfunktionsbaustein FB244 auf. FB3 steuert Feldgeräte wie pneumatische und elektrische Türen sowie Pumpen gemäß den von FB4 vorgegebenen automatischen Programmschritten. FB10 verarbeitet alle analogen Größen und ruft hierfür den Quadratwurzel-Funktionsbaustein FB5 auf. FB11 verarbeitet Alarme analoger Größen basierend auf den von FB10 konvertierten Daten. Die korrekte Zuordnung zwischen analogen und digitalen Größen innerhalb der SPS ist wichtig, um die Genauigkeit der Anzeige analoger Größen und der Alarme zu gewährleisten. 3. Entwurf der Überwachungs- und Managementsoftware für industrielle Steuerungsrechner Die Überwachungs- und Managementsoftware für industrielle Steuerungsrechner basiert auf der Softwareplattform FIX5.5. FIX5.5 ist ein hochpräzises modulares Softwaresystem mit über einem Dutzend Softwaremodulen. Im Folgenden werden einige der für die Entwicklung dieser Anwendungssoftware verwendeten Softwaremodule vorgestellt. (1) Systemkonfigurationsmodul (SCU): Dieses Modul konfiguriert Netzwerk, E/A-Treiber, Datenbanknamen, Systemstartparameter und führt die ersten Startvorgänge durch. Intellution und Drittanbieter haben über 300 E/A-Treiber für SPS und E/A-Karten entwickelt, darunter Treiber für Produkte von SIEMENS, OMRON, MODICON, ABB und anderen Herstellern. Zudem stellen sie Entwicklungs-Toolkits für E/A-Treiber bereit, mit denen Anwender eigene Treiber erstellen können. (2) Datenscan-, Alarm- und Steuermodul (SAC): Es dient zum Scannen von Felddaten, zur Signalverarbeitung, zur Konvertierung von Datenformaten und -typen, zur Ermittlung von Alarmzuständen und zur Realisierung der Fernsteuerungsausgabe. Das SAC sendet die verarbeiteten Felddaten an die Echtzeitdatenbank oder die Fernsteuerungsausgabedaten an den E/A-Treiber, um die Fernsteuerungsfunktion zu realisieren. (3) Echtzeit-Datenbankverwaltungsmodul (DATABASE BUILDER): Es ermöglicht die interaktive Erstellung und Online-Anzeige/Änderung einer Echtzeitdatenbank. Sie ist die zentrale Datenquelle für den Systembetrieb und erfordert einen erheblichen Arbeitsaufwand. Am wichtigsten ist die korrekte Benennung der Variablen, damit die Felddaten und die Variablenbezeichnung in der Datenbank eindeutig zugeordnet werden und die Daten in anderen Modulen abgerufen werden können. Bei der Benennung der Variablen sind sowohl Standardisierung als auch Fachkenntnisse erforderlich. Erstens müssen die Syntaxvorgaben der FIX-Software beachtet werden. Zweitens sollte die Benennung gemäß einem bestimmten Klassifizierungsstandard definiert werden, um die Effizienz zukünftiger Datenabfragen und -anwendungen zu verbessern. (4) Zeichenmodul (DRAW): FIX verfügt über eine intuitive, objektbasierte grafische Benutzeroberfläche (GUI), die die Grafikentwicklung vereinfacht. Mit der Werkzeugpalette von DRAW lassen sich Objekte wie Ventile, Pumpen und Tabellen erstellen und deren dynamische Eigenschaften definieren. Die Objekte ändern ihren Zustand, ihre Größe, Farbe, Drehung und Bewegung basierend auf den Felddaten. Beispielsweise können das Öffnen oder Schließen von Ventilen und das Ein- oder Ausschalten von Pumpen in einem Dialogfeld gesteuert werden. Die Hauptaufgabe besteht darin, die Variablenbezeichnungen in der Echtzeitdatenbank mit den entsprechenden Objekten zu verknüpfen, sodass sich der Objektstatus mit den Felddaten ändert. Um die Grafikentwicklungszeit zu verkürzen, bietet Intellution außerdem eine Grafikbibliothek mit häufig verwendeten Geräteobjekten. Diese enthält eine Vielzahl internationaler Standardgrafiken, die jederzeit in den Benutzerbildschirm eingefügt werden können. Benutzer können zudem ihre eigenen, häufig verwendeten Grafiken in der Grafikbibliothek speichern und später wiederverwenden. (5) Anzeigemodul (VIEW): Seine Hauptfunktion ist die dynamische Anzeige des mit DRAW erstellten Bildschirms. Es ermöglicht das Umschalten zwischen mehreren Bildschirmen, das Ändern der Bildschirmdarstellung, die Dateneingabe und die Überwachung. Dies ist der dem Benutzer bereitgestellte Bedienbildschirm. 4 Systemfunktionen : Das System verfügt über eine Überwachungsfunktion für den übergeordneten Rechner und eine Überwachungsfunktion für das Simulationspanel. Beide sind im Hot-Standby-Modus und laufen parallel. Der Host-Rechner-Bildschirm bietet drei Betriebsmodi: manueller Host-Rechner-Betrieb, automatischer Host-Rechner-Betrieb und Host-Rechner-Überwachung. Der Wechsel zwischen den Modi erfolgt nahtlos. Wenn das System eine Überwachung über das Analogpanel erfordert, wählt der Host-Rechner-Bildschirm den Host-Rechner-Überwachungsmodus. In diesem Modus wird der Systemstatus über den M/A-Schalter des Analogbedienfelds bestimmt. Bei manueller Einstellung (M/A) kann die Bedienung über die Tasten des Analogbedienfelds individuell erfolgen. Bei automatischer Einstellung (M/A) steuert das System die Wasseraufbereitung automatisch über ein Programm. Wenn eine Überwachung durch einen Host-Computer erforderlich ist, kann dieser zwischen manuellen und automatischen Funktionen wählen. Die manuelle Einstellung ermöglicht die individuelle Bedienung lokaler Geräte über den Host-Computer. Die automatische Einstellung ermöglicht die automatische Start-/Stopp-Steuerung über den Host-Computer; das Steuerungsprogramm entspricht der automatischen Steuerungsfunktion des Analogbedienfelds. 5. Fazit: In großen und mittelständischen Produktionsanlagen ist die Ära der speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) als Einzelgeräte vorbei. Ihre nahtlose Integration in industrielle Steuerungssysteme und der Einsatz von Computernetzwerken haben den Automatisierungsgrad und die Steuerung in der Produktion erheblich verbessert – ein unaufhaltsamer Trend.