Einleitung Im Bereich der automatischen Steuerung von Produktionsmaschinen finden sequenzielle SPS-Steuerungen breite Anwendung. Unterschiedliche Produktionsmaschinen mit verschiedenen Prozessen erfordern jedoch unterschiedliche Kontaktpläne für die Steuerungssysteme. Viele Elektroplaner verwenden derzeit noch erfahrungsbasierte Entwurfsmethoden für sequenzielle SPS-Steuerungen. Dies ist nicht nur ineffizient und fehleranfällig, sondern erschwert auch die Fehlererkennung in der Entwurfsphase und führt zu mehrfachem Debugging und Modifikationen, um die Entwurfsanforderungen zu erfüllen. Dieser Artikel stellt vier vereinfachte Entwurfsmethoden vor, mit denen sich sequenzielle SPS-Steuerungen schnell und erfolgreich in einem Schritt entwerfen lassen. Merkmale und Entwurfskonzepte sequenzieller Steuerungssysteme 1. Merkmale Ein sequenzielles Steuerungssystem ist ein automatisches Steuerungssystem, das schrittweise gemäß einer vorgegebenen Abfolge von Aktionen der gesteuerten Aktoren und den entsprechenden Schrittbedingungen arbeitet. Die gesteuerten Anlagen sind in der Regel Produktionsmaschinen mit einer festen oder unveränderlichen Abfolge von Aktionen. Die schrittweisen Steuersignale dieser Steuerungsart sind meist Endschalter (einschließlich kontaktbehafteter und berührungsloser Endschalter, Lichtschranken, Reed-Kontakte, Hall-Sensoren und anderer Positionssensoren). Manchmal werden Signalwandler wie Druck- und Zeitrelais auch als schrittweise Steuersignale für bestimmte Schritte eingesetzt. Um den zuverlässigen Betrieb des sequenziellen Steuerungssystems zu gewährleisten, wird üblicherweise eine schrittweise sequentielle Steuerschaltung verwendet. Die sogenannte schrittweise sequentielle Steuerung bezeichnet ein Steuerungssystem, bei dem die Aktivierung eines Programmschritts (im Folgenden „Schritt“ genannt) die Aktivierung des vorherigen Schritts und die Ausgabe des Schrittübergangssignals erfordert. Bei Produktionsmaschinen hängt die Ausführung einer mechanischen Aktion der gesteuerten Anlage davon ab, ob das Steuerungssystem ein Ausgangssignal für den vorherigen Schritt bereitstellt und ob die gesteuerte mechanische Aktion abgeschlossen ist. Ist die Aktion des vorherigen Schritts nicht abgeschlossen, kann die Aktion des nachfolgenden Schritts nicht ausgeführt werden. Dieses Steuerungssystem zeichnet sich durch eine enge Verriegelung aus; selbst bei einer Fehlfunktion oder Fehlbetätigung des Schrittübergangssignals kommt es nicht zu einer gestörten Aktionsfolge. 2. Entwurfsideen Die vier in diesem Beitrag vorgestellten vereinfachten Entwurfsmethoden beginnen mit dem Entwurf einer Stufenleiter, die das Ein- und Ausschalten von Hilfsrelais über das Stufenübergangssignal steuert. Darauf aufbauend wird eine Ausgangsleiter entworfen, die das Ein- und Ausschalten von Ausgangsrelais über Hilfsrelais steuert. Die Leiterdiagramme und zugehörigen Anweisungen dieser vier Entwurfsmethoden sind für die meisten SPS-Modelle anwendbar und universell einsetzbar. Da die Codes und Nummern der Programmierelemente je nach SPS-Modell variieren, werden die Codes für Eingangsrelais, Ausgangsrelais und Hilfsrelais (auch interne Relais genannt) in allen Leiterdiagrammen zur Vereinfachung mit X, Y bzw. M bezeichnet. Bestimmte Funktionsanweisungen wie Setzbefehle (S×), Rücksetzbefehle (R×) und Schiebebefehle (SR×) werden verwendet. Das „ד steht für die dezimale Nummer des Programmierelements. Bei der Entwicklung eines realen Steuerungssystems mithilfe dieser Methoden müssen die Codes und Nummern der Programmierelemente in die Codes und Nummern des gewählten SPS-Modells umgewandelt werden. Die verschiedenen Entwurfsmethoden werden im Folgenden beschrieben. Die ersten drei Methoden basieren auf dem in Abbildung 1 dargestellten sequenziellen Steuerungsablauf. In der Abbildung ist das Schritt-Dreh-Hauptsignal X0 in Schritt 1 das Eingangsrelais, das mit dem Starttaster verbunden ist (der Begriff „Eingangsrelais“ wird in den folgenden Beschreibungen der Schritt-Dreh-Hauptsignale der Einfachheit halber weggelassen; es wird nur noch „Eingangssignal“ verwendet). X1 ist das Signal für den Referenzpositionsschalter, und X2, X3 und X4 sind die Schritt-Dreh-Hauptschaltersignale für die Schritte 2, 3 bzw. 4. M1 bis M5 sind die gesteuerten Hilfsrelais für jeden Schritt. Y1 bis Y4 sind die gesteuerten Ausgangsrelais für jeden Schritt. I. Entwurfsmethode für ein sequenzielles Steuerungssystem mit schrittweiser Aktivierung und synchroner Deaktivierung. Wie in Abbildung 2 dargestellt, nutzt diese Entwurfsmethode die grundlegenden logischen Beziehungen „UND“, „ODER“ und „NICHT“, um Schaltungsstrukturen in Reihe, parallel oder einer Kombination aus beidem zu entwerfen. 1. Entwurf der Stufenschaltung. Die Stufenschaltung ist in Abbildung 2a dargestellt. Die Aktivierungsbedingung für M1 in Schritt 1 ist, dass der Referenzschalter X1 der gesteuerten Maschine geschlossen ist (bei mehreren Aktoren muss der Referenzschalter jedes Aktors geschlossen sein). Die Aktivierung erfolgt erst, nachdem die Referenzbedingung erfüllt und der Startknopf X0 gedrückt wurde. M1 verriegelt sich nach dem Ansteuern selbst und liefert ein Schrittsignal (Öffnerkontakt von M1) für Schritt 2. Das Endschaltersignal X2, das nach Abschluss von Schritt 1 ausgelöst wird, dient als Schritt-Dreh-Signal für Schritt 2. M2 wird in Schritt 2 angesteuert und verriegelt sich selbst, sobald sein Eingang die Schritt- und Schritt-Dreh-Bedingungen erfüllt, und liefert ein Schrittsignal für Schritt 3. Nach diesem Muster lassen sich die Ansteuerung und Verriegelung der Hilfsrelais in jedem nachfolgenden Arbeitsschritt realisieren. Das Schrittsignal und das Schritt-Dreh-Signal für Stoppschritt M5 sind: das Schrittsignal des letzten Arbeitsschritts M4 (Öffnerkontakt von M4) bzw. das Schritt-Dreh-Signal X1, das nach Abschluss des Schritts ausgelöst wird. Da das Ansteuersignal von M5 das Steuerungssystem stromlos macht, verriegelt sich der Stromkreis von M5 nicht selbst, und sein Schließerkontakt muss in Reihe am linken Ende des Stromkreises von Schritt 1 geschaltet werden. Die Stromkreise der einzelnen Schritte ab Schritt 2 bilden Zweigstromkreise. Sobald M5 bestromt wird, wird das gesamte System stromlos. Wird die Zweigstromkreisstruktur nicht verwendet, kann auch die in Abbildung 3 dargestellte Schaltung genutzt werden. Dabei wird der normalerweise geschlossene Kontakt von M5 in Reihe mit dem Stromkreis jedes Hilfsrelais geschaltet. Zu beachten ist: Unabhängig davon, ob es sich um einen Arbeits- oder Stoppschritt handelt, müssen bei mehreren Schritt-Dreh-Befehlssignalen für einen bestimmten Schritt diese in Reihe geschaltet werden. 2. Aufbau der Ausgangsleiter Die Ausgangsleiter ist in Abbildung 2b dargestellt. Die Entwurfsmethode ist wie folgt: (1) Im Ablaufdiagramm wird ermittelt, in welchem ​​Schritt ein bestimmtes Ausgangsrelais M angesteuert und in welchem ​​Schritt es abgeschaltet wird. Daraus werden das Ansteuersignal (der normalerweise offene Kontakt des Hilfsrelais, das M im Stufenschaltplan ansteuert) und das Abschaltsignal (der normalerweise geschlossene Kontakt des Hilfsrelais, das M im Stufenschaltplan abschaltet) bestimmt. (2) Das Ansteuersignal, das Abschaltsignal und die Spule des gesteuerten Ausgangsrelais werden in Reihe geschaltet. Wird ein bestimmtes Ausgangsrelais innerhalb eines Arbeitszyklus mehrmals angesteuert und abgeschaltet, können die Seriensignale für jede Ansteuerung und Abschaltung parallel geschaltet werden. In Abbildung 1 soll beispielsweise das Ausgangsrelais Y1 in den Schritten 1 und 3 angesteuert und in den übrigen Schritten abgeschaltet werden. Beim Zeichnen des Steuerschaltkreises in Abbildung 2b werden das erste Ansteuersignal M1 und das erste Abschaltsignal M2 aus Abbildung 1 in Reihe geschaltet, ebenso das zweite Ansteuersignal M4 und das zweite Abschaltsignal. Diese beiden werden dann parallel geschaltet und anschließend mit der Spule von Y1 in Reihe geschaltet, um den Steuerschaltkreis von Y1 zu bilden. Die übrigen Schaltungen werden analog aufgebaut. II. Entwurfsmethode des sequenziellen Steuerungssystems für schrittweises Ansteuern und Abschalten 1. Der Entwurf der Stufenleiter folgt dem in Abbildung 1 dargestellten Steuerablauf. Die mit der Entwurfsmethode für ein sequenzielles Steuerungssystem für schrittweises Ansteuern und Abschalten entworfene Stufenleiter ist in Abbildung 4a dargestellt. Ein Unterschied zwischen ihrer Schaltungsstruktur und der in Abbildung 3 besteht darin, dass das Abschalten jedes Schritts durch den normalerweise geschlossenen Kontakt des Hilfsrelais des nächsten Schritts gesteuert wird. Eine weitere Voraussetzung ist, dass der Stromkreis von Schritt 1 in Reihe mit dem normalerweise geschlossenen Kontakt des Hilfsrelais von Schritt 2 bis zum letzten Arbeitsschritt 4 geschaltet wird. Dies verhindert, dass die Steuersequenz durch versehentliches Neustarten während des Betriebs gestört wird. Die übrigen Schaltungsstrukturen entsprechen denen in Abbildung 3. 2. Ausgangsleiter-Design Der Ausgangsleiter ist in Abbildung 4b dargestellt. Die Steuerschaltung des Ausgangsrelais ergibt sich intuitiv aus dem Steuerablauf. Benötigt beispielsweise das Ausgangsrelais Y1 in den Schritten 1 und 3 Ansteuerung, werden die normalerweise offenen Kontakte der Hilfsrelais M1 und M3 in den Schritten 1 und 3 parallel geschaltet und anschließend in Reihe mit der Spule von Y1 verbunden. Die Steuerschaltung für die übrigen Ausgangsrelais wird analog aufgebaut. III. Entwurfsmethode für sequentielle Steuerungssysteme mit Set-/Reset-Befehlen 1. Stufenleiter-Design Abbildung 5a zeigt einen Stufenleiter eines sequentiellen Steuerungssystems, das mit Set-/Reset-Befehlen entworfen wurde. Die Grundlage des Designs bildet der in Abbildung 1 dargestellte Kontrollfluss. Charakteristisch für diese Stufenleiterstruktur ist, dass jedes Hilfsrelais einer Stufe über eine Setz- und eine Rücksetzspule mit gleicher Nummerierung verfügt. Stufe 1 setzt mit dem Setzbefehl S das Hilfsrelais M1 (d. h., die Spule von M1 verriegelt sich nach dem Anlegen der Spannung intern), wodurch das Programm für Stufe 1 gestartet und das Schrittbedingungssignal für Stufe 2 bereitgestellt wird. Wird das Schrittdrehsignal für Stufe 2 ausgegeben (X2 schließt), setzt der Befehl S M2 und startet so das Programm für Stufe 2. Gleichzeitig setzt der Rücksetzbefehl R M1 zurück und löscht damit das Programm für Stufe 1. Analog lassen sich die Setz-/Rücksetzdiagramme für die nachfolgenden Stufen erstellen. Nach Abschluss der letzten Stufe und Rückkehr in die Ausgangsposition (X1 schließt) setzt der Befehl R M4 zurück und beendet damit den Arbeitszyklus des Systems. 2. Ausgangsleiterstruktur Abbildung 5b zeigt die Ausgangsleiterstruktur, die identisch mit Abbildung 4b ist und daher nicht erneut beschrieben wird. IV. Entwurf eines sequenziellen Steuerungssystems mit Schiebebefehlen 1. Stufenleiter-Entwurf Die Entwurfsgrundlage ist in Abbildung 6 dargestellt. Abbildung 7a zeigt eine Stufenleiter eines sequenziellen Steuerungssystems, das mit der in Abbildung 6 dargestellten Schiebebefehlsmethode entworfen wurde. Diese Stufenleiter verwendet ein 8-Bit-Schieberegister (definiert durch Schiebebefehle mithilfe der Hilfsrelais M20 bis M27) ​​als Steuerelement. IN dieses Schieberegisters ist der Eingang für die Schiebedaten, CP der Eingang für den Schiebeimpuls und R der Rücksetzeingang. Alle drei Eingangssignale sind bei steigender Flanke des Impulses aktiv. Für das sequenzielle Steuerungssystem muss das Eingangssignal IN ein Einzelimpulssignal sein, d. h. die Schiebedaten sind „1“. Beim Start von Schritt 1, nachdem die steigende Flanke des Impulses des Tastensignals X0 gleichzeitig an IN und CP angelegt wurde, werden die am Eingang IN generierten Schiebedaten „1“ in Bit M20 des Schieberegisters geschoben. Zu diesem Zeitpunkt hat dieses Bit einen Ausgang (d. h. der normalerweise offene Kontakt von M20 ist geschlossen), wodurch das Programm für Schritt 1 gestartet und das Schrittbedingungssignal für Schritt 2 bereitgestellt wird. Der normalerweise geschlossene Kontakt von M20 trennt sofort den IN-Eingang und den Eingang für Schritt 1 von CP, wodurch die Eingabe der Daten „1“ und des Schiebeimpulses abgeschlossen wird. Ab Schritt 2 wird, sobald das Schrittübergangssignal für diesen Schritt ausgegeben wird (X2 wird eingeschaltet), eine steigende Flanke eines Schiebeimpulses eingespeist. Dadurch werden die ursprünglich in Bit M20 geschobenen Daten „1“ in Bit M21 verschoben, wodurch das Programm für Schritt 2 gestartet und ein Schrittbedingungssignal für Schritt 3 bereitgestellt wird. Nach der Verschiebung ist der Zustand von Bit M20 0, d. h. der zugehörige Schritt 1 wird aufgehoben, und der Ausgang ist 0. Analog dazu kann die gesamte Stufenleiter schrittweise ein- und ausgeschaltet werden. Sobald der letzte Schritt abgeschlossen ist und die Ausgangsposition wiederhergestellt ist (X1 ist eingeschaltet), wird der Reset-Anschluss R des Schieberegisters eingeschaltet. Dadurch wird das Schieberegister auf Null zurückgesetzt und das gesamte Steuerungssystem abgeschaltet und gestoppt. Bei der Auslegung dieser Stufenschaltung sind folgende Punkte zu beachten: (1) Im automatischen Arbeitszyklus darf der Dateneingang IN des Schieberegisters zu Beginn nur ein einzelnes Impulssignal empfangen. Das heißt, zu Beginn darf nur die Schiebedaten „1“ eingegeben werden. Das Funktionsprinzip der Stufenschaltung besteht darin, die Daten „1“ schrittweise in das Schieberegister zu schieben, um ein schrittweises Ein- und Ausschalten zu erreichen. Daher muss der Eingang IN in Reihe mit dem normalerweise geschlossenen Kontakt jedes Schiebeausgangsbits geschaltet werden. (2) Das Schieberegister reagiert sehr empfindlich auf Jitter am Schiebeimpuls-Eingangsschalter. Ein einziger Jitter des Schalters entspricht einem zusätzlichen Schiebeimpuls, wodurch die Schiebedaten „1“ um ein Bit verschoben werden. Da der Kontaktschalter beim Schalten zwangsläufig jittert. Um diesen Effekt zu eliminieren, muss der normalerweise geschlossene Kontakt des Schieberegister-Bits 0 (M20 in diesem Beispiel) im Eingangskreis von Schritt 1 am Schiebeimpuls-Eingang in Reihe geschaltet werden. Sobald die Schiebedaten in Bit M20 geschoben wurden, wird der Eingangskreis von Schritt 1 getrennt. Ab Schritt 2 muss der Eingangskreis jedes Schritts ebenfalls in Reihe mit dem normalerweise offenen Kontakt des vorherigen Bits geschaltet werden. Beispielsweise muss der Eingangskreis von Schritt 2 in Reihe mit dem normalerweise offenen Kontakt des vorherigen Bits M20 geschaltet werden. Dadurch wird der Eingangskreis von Schritt 2 sofort getrennt, sobald die Schiebedaten das Bit M21 erreichen, das dem Mastersignal von Schritt 2 entspricht. Durch diese Struktur des Schiebeimpuls-Eingangskreises wird sichergestellt, dass die Dauer des Schritteingangssignals für jeden Schritt nur einem Taktzyklus der SPS entspricht (in der Regel nur wenige Millisekunden), da die Prellzeit der Schalter deutlich länger als ein Taktzyklus der SPS ist. Somit kann der Einfluss des Prellens effektiv eliminiert werden. 2. Ausgangsleiter-Design: Abbildung 7b zeigt die Ausgangsleiter. Ihre Struktur entspricht der von Abbildung 4b, mit Ausnahme der unterschiedlichen Anzahl an Hilfsrelais. Fazit: Die vier oben genannten Entwurfsmethoden für sequentielle SPS-Steuerungssysteme weisen folgende Gemeinsamkeiten auf: (1) Das Eingangsrelais steuert das Hilfsrelais (einschließlich des durch die Set-/Reset- und Shift-Anweisung definierten Hilfsrelais). Die Stufenleiter wird entsprechend aufgebaut. (2) Das Hilfsrelais steuert das Ausgangsrelais. Die Ausgangsleiter wird entsprechend aufgebaut. (3) Sowohl Stufen- als auch Ausgangsleitern weisen eine sehr regelmäßige Schaltungsstruktur auf. Unabhängig von der Anzahl der Schritte oder der Ein-/Ausgangspunkte des sequentiellen Steuerungssystems lässt sich durch das Verständnis der Regelmäßigkeit der Schleifenstruktur von Stufen- und Ausgangsleitern, die mit verschiedenen Entwurfsmethoden erstellt wurden, und die Anwendung der Schleifenstruktur einer beliebigen Entwurfsmethode auf Basis des Entwurfs schnell und erfolgreich ein relativ komplexes sequentielles SPS-Steuerungssystem in einem Schritt entwerfen.