Mit der zunehmenden Verbreitung und dem breiten Einsatz von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) steigt die Vielfalt und Anzahl der SPS-Produkte stetig an, und ihr Funktionsumfang wird immer umfangreicher. In den letzten Jahren wurden Dutzende Serien und Hunderte von SPS-Modellen aus Ländern wie den USA, Japan und Deutschland eingeführt, ebenso wie Produkte, die von inländischen Herstellern entwickelt oder montiert werden. SPS gibt es in vielen verschiedenen Ausführungen mit Unterschieden in Struktur, Leistung, Kapazität, Befehlssystem, Programmiermethoden und Preis, und sie eignen sich für unterschiedliche Anwendungsbereiche. Daher spielt die sinnvolle Auswahl einer SPS eine wichtige Rolle für ihren Einsatz in Steuerungssystemen. 1. Modellauswahl: Das Grundprinzip bei der Auswahl eines SPS-Modells ist die Wahl des zuverlässigsten, wartungsfreundlichsten und kostengünstigsten Modells, sofern die funktionalen Anforderungen erfüllt sind. Bei relativ konstanten Prozessen und günstigen Umgebungsbedingungen (geringer Wartungsaufwand) empfiehlt sich eine SPS mit integrierter Struktur; in anderen Fällen ist eine modulare SPS-Struktur vorzuziehen. Bei Projekten mit Schaltersteuerung und Projekten, die hauptsächlich Schaltersteuerung mit geringem Anteil an analoger Steuerung nutzen, ist die Steuerungsgeschwindigkeit in der Regel nicht relevant. Daher kann ein Einsteigermodell mit A/D- und D/A-Wandlung, Additions- und Subtraktionsfunktionen sowie Datenübertragung die Anforderungen erfüllen. In Projekten mit komplexer Steuerung und hohen Anforderungen an die Steuerungsfunktionen (z. B. PID-Regler, Regelungstechnik und Kommunikationsnetzwerke) können je nach Umfang und Komplexität der Steuerung SPSen der Mittel- oder Oberklasse ausgewählt werden. Hochleistungs-SPSen werden hauptsächlich für die Prozesssteuerung im großen Maßstab, verteilte Steuerungssysteme mit ausschließlich SPS und die Fabrikautomation eingesetzt. Tabelle 1 listet verschiedene SPS-Funktionsoptionen für unterschiedliche Anwendungsbereiche auf. Für große Unternehmenssysteme empfiehlt sich der Einsatz eines einheitlichen SPS-Modells. Dadurch können SPS-Module desselben Modells als Backups füreinander dienen, was die Beschaffung und Verwaltung von Ersatzteilen vereinfacht. Gleichzeitig sind die einheitlichen Funktionen und Programmiermethoden vorteilhaft für die Schulung des technischen Personals, die Verbesserung der Fachkenntnisse und die Weiterentwicklung von Funktionen. Da die externe Ausrüstung universell einsetzbar ist und Ressourcen gemeinsam genutzt werden können, lassen sich mehrere SPSen, die unabhängige Systeme steuern, mit einem Host-Rechner zu einem mehrstufigen verteilten Steuerungssystem verbinden, was die Kommunikation und die zentrale Verwaltung erleichtert. 2. Auswahl von Ein- und Ausgängen Eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) ist ein industrielles Steuerungssystem, dessen Steuerungsobjekt industrielle Produktionsanlagen oder -prozesse sind und dessen Arbeitsumgebung die Produktionsstätte ist. Die Verbindung zum Produktionsprozess erfolgt über E/A-Schnittstellenmodule. Diese Module erfassen verschiedene Parameter des gesteuerten Produktionsprozesses und nutzen diese Daten als Steuerinformationen zur Ansteuerung des Steuerungsobjekts. Gleichzeitig senden die E/A-Schnittstellenmodule die Verarbeitungsergebnisse der Steuerung an die gesteuerten Anlagen oder den Produktionsprozess und treiben so verschiedene Aktoren an. Die von der SPS erfassten Felddaten und die an externe Geräte ausgegebenen Steuersignale müssen eine gewisse Distanz zurücklegen. Um die Genauigkeit dieser Informationen zu gewährleisten, verfügen die E/A-Schnittstellenmodule der SPS über eine hohe Störfestigkeit. Je nach Bedarf verfügen SPSen in der Regel über mehrere E/A-Schnittstellenmodule, darunter digitale Eingangs- und Ausgangsmodule, analoge Eingangs- und Ausgangsmodule sowie weitere Spezialmodule. Die Auswahl sollte auf deren Eigenschaften basieren. 2.1 Ermittlung der Anzahl der E/A-Punkte Bei der Ermittlung der erforderlichen Anzahl an E/A-Punkten gemäß den Anforderungen des Steuerungssystems sollte eine Reserve von 10 % bis 20 % für die gegebenenfalls erforderliche Erweiterung um zusätzliche Steuerungsfunktionen eingeplant werden. Die Anzahl der E/A-Punkte variiert je nach Steuerungsmethode und Programmierebene für ein einzelnes Steuerungsobjekt. Tabelle 2 listet die Anzahl der für typische Übertragungseinrichtungen und gängige elektrische Komponenten benötigten digitalen E/A-Punkte auf. 2.2 Digitale Ein-/Ausgänge Signale können von Sensoren und Schaltern (z. B. Drucktaster, Endschalter usw.) sowie von Ein-/Ausschaltgeräten (z. B. Kontrollleuchten, Alarme, Motorstarter usw.) über Standard-E/A-Schnittstellen empfangen werden. Typische Wechselstrom-Ein-/Ausgangssignale liegen im Bereich von 24–240 V, Gleichstrom-Ein-/Ausgangssignale im Bereich von 5–240 V. Obwohl sich Eingangsschaltungen je nach Hersteller unterscheiden, weisen sie einige Gemeinsamkeiten auf, wie z. B. Jitter-Schaltungen zur Eliminierung fehlerhafter Signale und Überspannungsschutzschaltungen zum Schutz vor hohen transienten Überspannungen. Darüber hinaus verfügen die meisten Eingangsschaltungen über optionale Trennschaltungen zwischen dem Hochspannungseingang und dem Steuerlogikteil der Schnittstellenschaltung. Bei der Bewertung diskreter Ausgänge sollten Sicherungen, Überspannungsschutz und Trennschaltungen zwischen Stromversorgung und Logikschaltung berücksichtigt werden. Sicherungsschaltungen sind zwar in der Anschaffung teurer, können aber kostengünstiger sein als die Installation externer Sicherungen. 2.3 Analoge Ein-/Ausgänge Analoge Ein-/Ausgangsschnittstellen werden im Allgemeinen zur Erfassung von Sensorsignalen verwendet. Mit diesen Schnittstellen lassen sich Durchflussrate, Temperatur und Druck messen sowie Spannungs- oder Stromausgangsgeräte steuern. Typische Messbereiche für diese Schnittstellen sind -10 bis +10 V, 0 bis +10 V, 4 bis 20 mA oder 10 bis 50 mA. Einige Hersteller statten ihre SPSen mit speziellen analogen Schnittstellen aus, die den Empfang von Signalen niedriger Pegel, wie z. B. von RTDs und Thermoelementen, ermöglichen. Diese Schnittstellenmodule können in der Regel gemischte Signale von verschiedenen Thermoelement- oder RTD-Typen auf demselben Modul empfangen. 2.4 Spezielle Funktions-Ein-/Ausgänge Bei der Auswahl einer SPS können Anwender auf spezielle E/A-Typen stoßen, die sich nicht mit Standard-E/A realisieren lassen (z. B. Position, Schnelleingang, Frequenz usw.). In diesem Fall sollten Anwender prüfen, ob der Anbieter spezielle Module zur Verfügung stellt, die die Steuerungsschritte minimieren. Einige spezielle Schnittstellenmodule können Felddaten selbst verarbeiten und so die CPU von zeitaufwändigen Aufgaben entlasten. 2.5 Intelligente Ein-/Ausgänge SPS-Hersteller haben in letzter Zeit vermehrt intelligente Ein-/Ausgabemodule auf den Markt gebracht. Diese Module verfügen in der Regel über eigene Prozessoren, die vordefinierte Verarbeitungsschritte für Ein- oder Ausgabesignale durchführen und die Ergebnisse an die CPU senden oder direkt ausgeben. Dies kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit der SPS erhöhen und Speicherplatz sparen. Intelligente Ein-/Ausgabemodule umfassen Hochgeschwindigkeitszähler (für Addition und Subtraktion), Nockensimulatoren (zur absoluten Codierung), Nockensimulatoren mit Drehzahlkompensation, Ein- oder Mehrschleifen-PID-Regler, ASCII/BASIC-Prozessoren, RS-232C/422-Schnittstellenmodule usw. Tabelle 3 fasst die allgemeinen Regeln für die Auswahl von E/A-Modulen zusammen. 3. Auswahl von Speichertyp und -kapazität für SPS -Systeme: Der in SPS-Systemen verwendete Speicher besteht im Wesentlichen aus drei Typen: PROM, E-PROM und PAM. Die Speicherkapazität variiert mit der Maschinengröße. Im Allgemeinen beträgt die maximale Speicherkapazität kleiner Maschinen weniger als 6 kB, die von mittelgroßen Maschinen bis zu 64 kB und die von großen Maschinen mehrere Megabyte. Das passende Modell kann entsprechend dem Speicherbedarf des Programms und der Daten ausgewählt werden. Bei Bedarf kann der Speicher auch speziell für Erweiterungen ausgelegt werden. Die erste Methode zur Auswahl und Berechnung der Speicherkapazität einer SPS besteht darin, die tatsächliche Speichernutzung anhand der Anzahl der im Programm verwendeten Knoten genau zu berechnen. Die zweite Methode ist die Schätzung. Anwender können die Speicherkapazität anhand der Formeln in Tabelle 4, basierend auf dem Regelbereich und dem Anwendungszweck, schätzen. Zur Vereinfachung sollte im Allgemeinen ein Spielraum von 25 % bis 30 % eingeplant werden. Am besten lässt sich die Speicherkapazität ermitteln, indem man ein Programm generiert, d. h. die Anzahl der verwendeten Wörter misst. Kennt man die Anzahl der Wörter pro Anweisung, kann die genaue Speicherkapazität bestimmt werden. Tabelle 4 enthält auch Methoden zur Schätzung der Speicherkapazität. 4. Softwareauswahl: Die SPS-Programmierung ist im Systemimplementierungsprozess von entscheidender Bedeutung. Anwender sollten die Softwarefunktionen des ausgewählten SPS-Produkts verstehen. Typischerweise wird die Systemsoftware zur Verarbeitung der vom Controller bereitgestellten Steuerungshardware verwendet. Einige Anwendungssysteme benötigen jedoch auch Softwarefunktionen, die über die Steuerungshardwarekomponenten hinausgehen. Beispielsweise kann ein Anwendungssystem spezielle Steuerungs- oder Datenerfassungsfunktionen umfassen, die komplexe mathematische Berechnungen und Datenverarbeitungsoperationen erfordern. Die Wahl des Befehlssatzes bestimmt die Umsetzbarkeit der Softwareaufgabe. Der verfügbare Befehlssatz beeinflusst direkt die Implementierungszeit des Steuerungsprogramms und die Programmausführungszeit. 5. Überlegungen zu den unterstützenden technischen Bedingungen: Bei der Auswahl einer SPS ist die Verfügbarkeit unterstützender technischer Bedingungen ein wichtiges Auswahlkriterium. Zu den unterstützenden technischen Bedingungen gehören: (1) Programmiermittel: Tragbare, einfache Programmiergeräte werden hauptsächlich für kleine SPSen mit geringem Steuerungsumfang und einfachen Programmen verwendet und sind mit einfachen Programmiergeräten kompatibel. CRT-Programmiergeräte eignen sich für große und mittelgroße SPSen. Neben dem Kompilieren und Eingeben von Programmen können sie auch den Programmtext bearbeiten und ausgeben. Seit der weiten Verbreitung des IBM-PC sind IBM-PC und seine kompatiblen Programmiersoftwarepakete gute Programmierwerkzeuge für SPS. Derzeit engagieren sich SPS-Hersteller in der Entwicklung von IBM-PC- und kompatiblen Programmiersoftwarepaketen, die für ihre eigenen Modelle geeignet sind, und haben damit Erfolg erzielt. (2) Programmtextverarbeitung: Einfache Programmtextverarbeitung und Verarbeitung von Diagrammen, Parameterzuständen und Positionen, einschließlich der Ausgabe von Kontaktplanlogik. Programmannotationen, einschließlich der Zuordnungsnamen von Kontakten und Spulen, Netzwerkkommentaren usw., die für Anwender und Softwareentwickler beim Lesen und Debuggen von Programmen sehr hilfreich sind; Grafik- und Textverarbeitung. (3) Programmspeichermethode: Für technische Datenarchive und Ersatzdaten stehen verschiedene Speichermethoden zur Verfügung, darunter Magnetband, Diskette oder EEPROM-Speicherbox. Die gewählte Speichermethode hängt von den technischen Gegebenheiten des jeweiligen Modells ab. (4) Kommunikationssoftwarepaket: Für Netzwerksteuerungsstrukturen oder Steuerungssysteme, die von einem Host-Computer verwaltet werden müssen, ist die Verfügbarkeit eines Kommunikationssoftwarepakets ein Hauptkriterium für die Auswahl einer SPS. Kommunikationssoftwarepakete werden häufig in Verbindung mit Kommunikationshardware wie Modems verwendet. 6. Umweltverträglichkeit der SPS: Da SPSen typischerweise direkt in der industriellen Steuerung eingesetzt werden, sind sie von den Herstellern so konstruiert, dass sie auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig funktionieren. Dennoch hat jede SPS ihre eigenen technischen Anforderungen an die Umgebungsbedingungen, und Anwender müssen diese bei der Auswahl, insbesondere bei der Entwicklung eines Steuerungssystems, unbedingt berücksichtigen. Im Allgemeinen können SPSen und ihre externen Schaltungen (einschließlich E/A-Module, Hilfsstromversorgungen usw.) unter den in Tabelle 5 aufgeführten Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten. 7. Fazit: Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt werden die SPS-Typen immer vielfältiger und ihre Funktionen stetig erweitert. Obwohl dieser Artikel einige Methoden zur SPS-Auswahl zusammenfasst, müssen in der Praxis je nach Situation entsprechende Anpassungen vorgenommen werden, um ein Steuerungssystem zu entwickeln, das den Erwartungen entspricht.