Ein Relais ist ein weit verbreitetes Steuergerät, das den Stromfluss in einem Stromkreis anhand externer Eingangssignale (elektrische oder nichtelektrische Signale) steuert. Auch heute noch werden Relais häufig eingesetzt; beispielsweise haben die kumulierten Verkaufszahlen der MYJ/LYJ-Universalrelais der japanischen OMRON Corporation, wie in Abbildung 1 dargestellt, eine Milliarde Einheiten überschritten. 1969 entwickelte die DEC Corporation in den USA die weltweit erste speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) für den Einsatz in den Produktionslinien von General Motors. Die SPS ist ein universelles industrielles Automatisierungsgerät auf Mikroprozessorbasis, das Computer-, Automatisierungs- und Kommunikationstechnologie integriert. Ihre ursprüngliche Anwendung bestand hauptsächlich darin, Steuergeräte zu ersetzen, die stark auf Relais angewiesen waren. Ein Marktforschungsunternehmen führte von Ende 2003 bis Anfang 2004 eine Studie zum chinesischen SPS-Markt anhand von Produktspezifikationen durch. Die Ergebnisse zeigten, dass Mikro-SPS einen Marktanteil von 40,2 % in den Segmenten Mikro (bis zu 64 E/A-Punkte), Klein (64 bis 255 E/A-Punkte), Mittel (256 bis 1023 E/A-Punkte) und Groß (über 1024 E/A-Punkte) ausmachten. Laut Schätzungen von Experten für industrielle Steuerungstechnik werden für die Steuerungsanforderungen der diskreten Fertigung 80 % der SPS in kleinen Systemen (weniger als 128 E/A-Punkte) eingesetzt; 78 % der SPS arbeiten mit digitalen oder Schaltsignalen; und 80 % der SPS werden in Feldanwendungen verwendet, in denen Probleme mit etwa 20 Kontaktplänen gelöst werden können [1]. Die hier genannten 80 % liegen im Wesentlichen innerhalb des Funktionsumfangs, den kleine und Mikro-SPS abdecken können. Aktuell dominieren in Anwendungen mit einfachen Funktionsanforderungen (wie einfacher Logiksteuerung, Zeitsteuerung und Zählfunktionen), wenigen Ein-/Ausgängen (einige bis ein Dutzend) und geringen Kosten (Hunderte bis Tausende Yuan) traditionelle Relais weiterhin den Markt, während SPS-Produkte der frühen und mittleren Generation Schwierigkeiten haben, diese Anforderungen zu erfüllen. Seit Mitte der 1990er-Jahre hat sich eine neue Kategorie von Mikro-SPS etabliert: ultraminiaturisierte (Nano-)Serien mit nur zwanzig bis dreißig Ein-/Ausgängen. Einige dieser SPS verfügen über HMIs (Human Machine Interfaces, auch bekannt als programmierbare Terminals) und können daher als ultraminiaturisierte SPS mit HMI bezeichnet werden. Interessanterweise haben nahezu alle namhaften SPS-Hersteller solche Produkte auf den Markt gebracht, darunter Siemens (Deutschland), Möller (Deutschland), Rockwell (USA), OMRON (Japan), Mitsubishi (Japan), IDC (Japan) und Schneider Electric (Frankreich). [ALIGN=CENTER] Abbildung 2: TEs Zelio Logic[/ALIGN] Abbildung 3: Ultraminiatur-SPS mit HMIs sind die optimale Aufrüstung für Relaissteuerungssysteme. Im Gegensatz zu anderen SPS-Typen tragen diese Ultraminiatur-SPS mit HMIs verschiedene offizielle Bezeichnungen, darunter programmierbare Relais (ZEN von OMRON, Japan), universelle Logikmodule (LOGO! von SIEMENS, Deutschland), Steuerrelais (EASY von Moeller, Deutschland), intelligente Relais (FL1 von IDEC, Japan, und Zelio Logic von TE, Frankreich), intelligente Logikrelais (PRO-iO von Pro-face, Japan), speicherprogrammierbare Steuerungen (ALPHA von MITSUBISHI, Japan), SPS mit Bedienpanels (M90/M91 von Unitronics, Israel) usw. Anhand dieser Bezeichnungen lässt sich erkennen, dass diese Mikro-SPS mit HMIs hauptsächlich Relaisfunktionen übernehmen. Sie werden also dort eingesetzt, wo nur wenige Ein-/Ausgänge benötigt werden und zuvor Relais verwendet wurden. Traditionelle speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) werden hauptsächlich in der Industrie eingesetzt, finden aber auch in anderen Branchen und sogar im Haushalt Anwendung, beispielsweise in Autowaschanlagen, Verkaufsautomaten, zur Lichtsteuerung sowie zur Tür- und Fenstersteuerung. Im Gegensatz zu Relais sind sie programmierbar, vielseitig und intelligent, wobei einige Produkte zusätzlich über analoge Ein-/Ausgänge verfügen. Zur einfacheren Parameterüberwachung und Programmierung unterscheiden sich die oben genannten Produkte von typischen Mikro-SPS durch integrierte Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) und bieten somit ein breiteres Anwendungsspektrum. Bei SPS-Steuerungssystemen ist die HMI die Schnittstelle, die dem Bediener am nächsten steht. Über die HMI können Benutzer den Betriebszustand des Steuerungssystems jederzeit verstehen, beobachten und steuern. Darüber hinaus nutzen ultraminiaturisierte SPS häufig HMIs als Programmiergeräte für eine komfortable Programmierung. Daher sind ultraminiaturisierte SPS mit HMI oft kompakte Geräte, die SPS, HMI, E/A, Erweiterungsschnittstellen, Programmiergeräte und weitere Komponenten integrieren. Die Designphilosophie ultraminiaturisierter SPS mit HMI ist Einfachheit. Die Programmierung erfordert in der Regel keine spezielle Software und erfolgt über Tastatur und LCD-Display an der Vorderseite. Merkmale ultraminiaturisierter SPS mit HMI: Schneider Electric aus Frankreich beschrieb sein ultraminiaturisiertes SPS-Produkt mit HMI, Zelio Logic (siehe Abbildung 2), mit vier Worten: einfach, benutzerfreundlich, präzise und intelligent. Diese Beschreibung trifft auch auf alle anderen ultraminiaturisierten SPS-Produkte mit HMI zu. Vereinfacht: Reduzieren Sie die Komplexität Ihres Steuerungssystems deutlich. Eine Zelio Logic-Einheit entspricht: ■ 10–40 Ein-/Ausgängen ■ 16 Timer/16 Auf-/Abwärtszähler ■ 16 Analogkomparatoren/16 Textfunktionsblöcken ■ 8 Echtzeituhr-Funktionsblöcken ■ 28 Hilfsrelais ■ 1 Hochgeschwindigkeitszähler (1 kHz) ■ 1 Textdisplay (4 Zeilen à 18 Zeichen) ■ 6 Bedientasten. Einfache Entwicklung und Wartung Ihrer Geräte: ■ Direkte Programmierung über das Bedienfeld ■ Echtzeitprogrammierung am PC mit der Zelio-Software ■ Fernwartung und -debugging von Anwendungen ■ Modulares Design für flexible und komfortable Installation. Präzise Ansprache verschiedenster Anwendungen: ■ Unterstützt das Modbus-Protokoll für freie Kommunikationsverbindungen ■ Kompakte Abmessungen: Die 12-Punkt-Einheit misst 71,2 × 90 × 59,5 mm (B × H × T) ■ Unterstützt 2 AI/2 AO analoge Ein-/Ausgänge, direkte Eingabe von Spannungssignalen und PT100-Temperatursignalen möglich. ■ Entspricht den UL-, CSA-, GL- und CE- Zertifizierungen. Optimieren Sie Ihren Entwicklungsprozess: ■ Die Programmiersprache unterstützt Kontaktpläne und Funktionsbausteindiagramme (FBD). ■ Unterstützt die SFC-Funktionalität (Sequential Function Chart) für übersichtliche Ablaufdiagramme. ■ Die Zelio Soft Software ermöglicht Offline-Simulationen. Um zu verdeutlichen, wie eine Mikro-SPS mit HMI das Steuerungssystem erheblich vereinfachen kann, betrachten wir eine Werbebroschüre für das KV-P-Produkt von Keyence (siehe Abbildung 3). Darin wird erklärt, dass ein solches Gerät die Funktionalität, die bisher durch die feste Verdrahtung mehrerer Relais, Tasten, Kontrollleuchten, Displays, Stellschalter usw. erreicht wurde, ersetzen und sogar übertreffen kann. Im Vergleich zu einer SPS ohne HMI vereinfacht eine Mikro-SPS mit HMI das Steuerungssystem ebenfalls deutlich. In Abbildung 4 sind die von einer SPS ohne HMI benötigten E/A-Punkte in zwei Kategorien unterteilt: Steuer-E/A-Punkte und Anzeige-E/A-Punkte. Letztere dienen der Anzeige von Aktionszuständen sowie der Bedienung von Schaltern und Tasten im Steuerungsprozess und müssen als DO/DI-Ein- und -Ausgänge der SPS verwendet werden. Bei einer Mikro-SPS mit HMI hingegen können diese Kontrollleuchten, Schalter und Tasten intern in der SPS untergebracht werden, ohne deren DO/DI-Ein- und -Ausgänge zu belegen. Wie Abbildung 4 zeigt, benötigt eine SPS ohne HMI 20 E/A-Punkte (DI) und 16 DO-Punkte, während eine ultraminiaturisierte SPS mit HMI nur 10 E/A-Punkte (DI) und 6 DO-Punkte benötigt. Dies verdeutlicht eine erhebliche Vereinfachung des Steuerungssystems. Leistung und Anzahl der E/A-Punkte ultraminiaturisierter SPS mit HMI: Die in diesem Artikel beschriebenen Produkte, einschließlich integrierter und erweiterter E/A-Punkte, verfügen in der Regel über insgesamt weniger als 40 Punkte. Tabelle 1 listet die Anzahl der DI/DO-Punkte gängiger ultraminiaturisierter SPS-Produkte auf. Einige Produkte sind nicht erweiterbar, andere hingegen schon. Anwender können Art und Anzahl der Erweiterungsmodule anhand der Anwendungsanforderungen bestimmen. E/A-Typen: DI verwendet typischerweise 12/24 V DC oder 115/240 V AC Eingangsspannung; DO verwendet typischerweise 12/24 V DC oder 115/240 V AC Transistor- oder Relaisausgänge. Der maximale Strom der Relaisausgänge kann 10 A erreichen (SIEMENS LOGO!, Mitsubishi AIPHA) und ermöglicht in der Regel die direkte Ansteuerung von Motoren. Einige Produkte verfügen über Hochgeschwindigkeits-Zähleingänge, beispielsweise TE Zelio Logic und MITSUBISHI ALPHA mit jeweils 1 kHz; Unironics Jazz besitzt zwei 5-kHz-Zähleingänge; und Keyence KV-P verfügt über zwei 30-kHz-Zähleingänge. Einige Produkte verfügen über analoge Ein- und Ausgänge, beispielsweise SIEMENS' LOGO! mit zwei DI-Punkten, die als analoge Eingänge genutzt werden können und auf bis zu acht analoge Eingänge erweiterbar sind; OMRONs ZEN mit zwei analogen Eingängen; Unironics' M90/M91 mit Optionen für analoge Ein- und Ausgänge; Rockwells Pico mit zwei bis vier analogen Eingängen; Moellers EASY400 mit zwei DI-Punkten, die als analoge Eingänge genutzt werden können; und 500 mit zwei analogen Eingängen. Zu den analogen Ein- und Ausgängen gehören unter anderem 0–10 V, 0(4)–20 mA, Pt100 und Thermoelemente. Hinsichtlich der Anzeigeinhalte bei ultraminiaturisierten SPS-Systemen genügt in der Regel die Anzeige des laufenden Programms, des E/A-Punktstatus und weiterer relevanter Informationen. Eine Textanzeige ist meist ausreichend. Aktuell sind 1-zeilige (Unitronics M90/M91), 2-zeilige, 4-zeilige und 6-zeilige Displays (Pro-face PRO-iO) mit 10 bis 18 Zeichen pro Zeile erhältlich. Das Zelio Logic Display von TE ist ein 4×18-Zeichen-Display und verfügt zusätzlich über eine Symbolzeile (siehe Abbildung 2). Wie in Abbildung 3 dargestellt, besitzt das KV-P von Keyence zwei Displays: ein Datenverarbeitungs- und ein Informationspanel. Das Datenverarbeitungspanel zeigt relevante Daten und Zeitparameter an, während das Informationspanel Arbeitsanweisungen, Gerätestatus und Alarmmeldungen darstellt. Zur eindeutigen Unterscheidung zwischen Normal- und Fehlerzustand können die Farben Grün, Rot und Orange ausgewählt werden. Das Display zeigt standardmäßig 14 Zeichen an. Um sicherzustellen, dass die Bediener die Anweisungen korrekt verstehen, verfügt das Display über eine Scrollfunktion, die das Scrollen nach links und rechts ermöglicht und so die Anzahl der angezeigten Zeichen auf 64 erhöht. Auch die neuesten Informationen zu den EASY-Produkten von Moeller zeigen eine einfache grafische Benutzeroberfläche. MITSUBISHIs ALPHA kann Balkendiagramme darstellen, und Produkte mit Flussdiagrammen und Balkendiagrammen werden voraussichtlich immer häufiger eingesetzt. Es gibt zwei Haupttypen von Displays: Zum einen Displays, die an eine herkömmliche SPS angebaut werden, wie in Abbildung 5 dargestellt (von links nach rechts: Pro-face PRO-iO, OMRON ZEN, Rockwell Pico und TE Zelio Logic, siehe Abbildung 2); zum anderen Einbaudisplays, wie in Abbildung 6 (Unitronics M90/M91), Abbildung 3 (Keyence KV-P) und Abbildung 8 (Unitronics Jazz) gezeigt. Die Einbaubauweise unterscheidet sich optisch deutlich von herkömmlichen SPSen; ohne Erklärung wäre sie kaum als solche zu erkennen. Programmiermethoden: Die Firma Taian verwendet PDA-Handprogrammiergeräte zur Programmierung, die meisten ultraminiaturisierten SPS mit HMI werden jedoch über das angeschlossene HMI-Panel und die Bedientastatur programmiert. Programmiersprachen umfassen Kontaktpläne und Funktionsbausteine ​​(siehe Abbildung 7). SIEMENS' LOGO! kann auch spezielle Funktionsbausteine ​​verwenden, und TE's Zelio Logic kann Ablaufdiagramme (SFC) nutzen. Bei der Programmierung mit Kontaktplänen ist die Anzahl der Kontakte pro Programmierleitung bei verschiedenen Modellen geringer als bei mittleren und großen SPSen, z. B. 3 Kontakte + 1 Spule (OMRON's ZEN) und 5 Kontakte + 1 Spule (TE's Zelio Logic). Rockwells Pico, TE's Zelio Logic, OMRON's ZEN und die Unitronics-Produkte M90, M91 und Jazz können mit spezieller Software und einem PC programmiert werden. Funktionen: Neben grundlegenden Logik-, Zeit- und Zählfunktionen bieten einige Produkte zusätzliche Funktionen. So ermöglicht beispielsweise Unitronics' Jazz mathematische Operationen. Einige Produkte verfügen zwar über analoge Eingänge, bieten aber nur analoge Vergleichsfunktionen zur Erzeugung von Schaltsignalen (z. B. Pro-face's PRO-iO und SIEMENS' LOGO!). Weitere Produkte umfassen Mehrpunkt-Analogausgänge und PID-Regler, wie beispielsweise Rockwell Pico, Unitronics M90/M91 und SIEMENS LOGO!. Bustypen: Bei der Erweiterung der Haupteinheit einer HMI-ausgestatteten Mikro-SPS kommen bereits verschiedene Feldbusse zum Einsatz. So kann SIEMENS LOGO! beispielsweise drei Kommunikationserweiterungsmodule nutzen: ASi, LON und EIB; Moeller EASY lässt sich über die Feldbusmethoden ASi, Profibus-DP, CANopen und DeviceNet erweitern; Unitronics M90/M91 verfügt über einen CANbus-Bus; Taian GENIS kann mit Profibus-DP-, DeviceNet- und Modbus-RTU-Kommunikationsmodulen erweitert werden; und TE Zelio Logic kann mit Modbus- und GSM/RTU-Modem-Kommunikationsmodulen erweitert werden. Standardabmessungen von SIEMENS LOGO!: Die Mikro-SPS mit 10 Ein-/Ausgangspunkten misst lediglich 72 mm × 90 mm × 55 mm. Der AL-10MR-A von Mitsubishi Electric, ein einfacher Applikationscontroller mit 6 Eingängen und 4 Ausgängen, misst nur 71,2 mm × 90 mm × 55 mm; der M90/M91 von Unitronics misst 96 mm × 96 mm × 64 mm. Dank dieser kompakten Größe eignet er sich ideal für die lokale Installation, meist mittels DIN-Schienenmontage. Die Modelle M90/M91 und Jazz von Unitronics sowie der KV-P von Keyence sind für die Schalttafelmontage vorgesehen. Mini- SPSen mit HMI benötigen typischerweise 12/24 V DC oder 24/115/240 V AC. Der mit 12 V DC betriebene Pico von Rockwell hat sich dadurch neue Anwendungsbereiche wie Transportwesen und Solaranlagen erschlossen. Zusätzliche Funktionen: Einige Produkte bieten zusätzliche Funktionen wie Datums-/Uhrzeitanzeige, bis zu 6 Sprachen (GENIS von TAIAN), 10 Sprachen (Pico von Rockwell) und 15 Sprachen (Jazz von Unitronics), einen Akku zur Notstromversorgung und Speicher zum Speichern oder Herunterladen von Programmen. TEs Zelio Logic verwendet die Zelio Soft Software, die Programmkonsistenztests durchführen, Warnungen ausgeben und selbst kleinste Eingabefehler präzise lokalisieren kann. Außerdem ermöglicht sie Programmsimulation und -überwachung. Unitronics' Jazz kann über einen OPC/DDE-Server Daten mit beliebigen Programmen unter Windows austauschen. Kommunikationsfunktionen: MITSUBISHIs ALPHA bietet SMS- und E-Mail-Kommunikation. Unitronics' Jazz unterstützt GSM/SMS und ermöglicht die Kommunikation mit bis zu 6 Mobiltelefonen und Geräten mit GSM-Nummern sowie den Fernzugriff (siehe Abbildung 8). IDECs FL1A kann um RS-232- und RS-485-Schnittstellen erweitert werden. Preis: Der Preis für ultraminiaturisierte SPS mit HMI liegt typischerweise 20 bis 30 % unter dem von separaten HMI- und SPS-Produkten, wobei der niedrigste Preis bei etwa 100 US-Dollar liegt. Dies verdeutlicht ihren erheblichen Preisvorteil. Auf der Messe „IAC, TIME & SENSOR“ in Shanghai 2006 erklärte Herr An Xiaojie, General Manager der Abteilung A&D Automation Systems von Siemens (China) Co., Ltd.: „Siemens erweitert seinen Markt und konzentriert sich auf Kunden im unteren und mittleren Preissegment. Wir bringen schrittweise neue Produkte im Niedrigpreissegment auf den Markt.“ Ultraminiaturisierte SPS mit HMI sind genau die Produktkategorie mit hoher Nachfrage bei Kunden im unteren und mittleren Preissegment. Sie bieten Vorteile wie breite Anwendbarkeit, gezielte Ausrichtung, solide Funktionalität und einen niedrigen Preis und eignen sich daher für Anwendungen in kleinen Geräten, in denen zuvor Relais eingesetzt wurden. China ist ein Produktionsstandort mit großer Bedeutung, und viele Hersteller von Maschinen und Anlagen benötigen einfache und geeignete Steuerungstechnik für ihre Produkte. Ultraminiaturisierte SPS mit HMI sind hierfür eine optimale Lösung. Die Industrie sollte der Entwicklung ultraminiaturisierter SPSen mit HMIs besondere Aufmerksamkeit widmen, um optimale Produkte für Produktionsprozesse bereitzustellen. Inländische Hersteller von HMIs und Mikro-/klein- bis mittelgroßen SPSen können diese Produkte nutzen, um sich im In- und Ausland erfolgreich zu positionieren.