Die SPS- Technologie (Speicherprogrammierbare Steuerung) findet breite Anwendung in verschiedenen Steuerungsbereichen, insbesondere in der industriellen Prozesssteuerung. Sie bietet gegenüber anderen Steuerungen unübertroffene Vorteile, darunter hohe Zuverlässigkeit, starke Störfestigkeit und die Fähigkeit, auch unter rauen Produktionsbedingungen zuverlässig zu arbeiten. Obwohl die SPS selbst eine sehr geringe Ausfallrate aufweist, können externe Komponenten (wie Sensoren und Aktoren), externe Eingangssignale und die Software selbst Fehlfunktionen aufweisen, die zu Systemausfällen führen und im schlimmsten Fall sogar die SPS zerstören und das gesamte System lahmlegen können. Dies kann erhebliche wirtschaftliche Verluste verursachen und sogar Menschenleben gefährden. Daher müssen Techniker mit der SPS-Technologie vertraut sein und SPS-Fehlfunktionen diagnostizieren und beheben können. Das Grundprinzip der Fehlerdiagnose in SPS-Steuerungssystemen besteht darin, die logische ODER-Verknüpfungsfunktion der SPS zu nutzen, um die verschiedenen Zustände des gesteuerten Prozesses kontinuierlich mit den gespeicherten Soll- (oder Soll-)Zuständen zu vergleichen, Abweichungen zu identifizieren und zu prüfen, ob diese innerhalb akzeptabler Bereiche (einschließlich Zeit- und Zahlenbereichen) liegen. Überschreitet die Differenz den vorgegebenen Bereich, wird sie nach einem vordefinierten Verfahren dekodiert und schließlich eine Fehlermeldung in einfacher oder ausführlicher Form ausgegeben. Zu den Fehlerdiagnosefunktionen gehören Fehlererkennung und -bewertung sowie die Ausgabe von Fehlerinformationen. Gängige SPS-Steuerungssysteme weisen eine Vielzahl von Fehlerzuständen auf. Der allgemeine Aufbau und die Fehlertypen eines SPS-Steuerungssystems sind wie folgt: Ein SPS-Steuerungssystem besteht im Wesentlichen aus einem Eingangsteil, einer CPU, einem Abtastteil, einem Ausgangssteuerungsteil und einem Kommunikationsteil (siehe Abbildung 1). Der Eingangsteil umfasst ein Bedienfeld und Eingabevorlagen; der Abtastteil umfasst Abtaststeuerungsvorlagen, AD-Wandlungsvorlagen und Sensoren; die CPU, als Kern des Systems, empfängt und verarbeitet Daten und gibt Steuersignale aus; einige Systeme verwenden DA-Wandlungsvorlagen, um Ausgangssignale in analoge Signale umzuwandeln, die dann verstärkt werden, um Aktoren anzusteuern; die meisten Systeme senden Ausgangssignale direkt an die Ausgangsvorlagen, die die Aktoren ansteuern; der Kommunikationsteil besteht aus Kommunikationsvorlagen und einem Host-Computer. Da die Wahrscheinlichkeit eines SPS-Ausfalls selbst äußerst gering ist, resultiert der Systemausfall hauptsächlich aus den Peripheriekomponenten. Daher lassen sich Systemausfälle in folgende Kategorien einteilen: (1) Eingabefehler (Bedienungsfehler), (2) Sensorausfall, (3) Aktorausfall, (4) SPS-Softwarefehler. Diese Fehler können mithilfe geeigneter Fehlerdiagnosemethoden analysiert und in Echtzeit per Software überwacht werden. So lassen sich Ausfälle vorhersagen und beheben. Fehlerdiagnosemethoden für SPS-Steuerungssysteme: Makrodiagnose von SPS-Steuerungssystemausfällen. Die Makrodiagnose von Fehlern dient dazu, Ort und Ursache eines Fehlers anhand von Erfahrungswerten und unter Berücksichtigung der Umgebung und der auftretenden Phänomene zu bestimmen. Die Makrodiagnosemethoden für SPS-Steuerungssystemausfälle sind wie folgt: (5) Handelt es sich um einen Fehler aufgrund unsachgemäßer Verwendung? In diesem Fall lassen sich Art und Ort des Fehlers anhand der Nutzung vorläufig bestimmen. Häufige Fehlbedienungen umfassen Stromversorgungsausfälle, Fehler in der Klemmenverdrahtung, Fehler bei der Schabloneninstallation, Betriebsstörungen vor Ort usw. ■ Handelt es sich nicht um einen Bedienungsfehler, kann es sich um einen Unfall oder einen durch lange Systemlaufzeiten verursachten Fehler handeln. Bei dieser Art von Fehler kann die Fehlerursache anhand der Fehlerverteilung der SPS schrittweise überprüft und beurteilt werden. Zuerst werden die Sensoren, Melder, Aktoren und Lasten, die mit dem eigentlichen Prozess verbunden sind, auf Fehler geprüft. Anschließend werden die E/A-Module der SPS auf Fehler überprüft. Abschließend wird die CPU der SPS auf Fehler geprüft. ■ Beachten Sie bei der Fehlersuche an der SPS-CPU und den Leistungsmodulen die Kontrollleuchten. ■ Wenn die oben genannten Schritte die Fehlerursache nicht ermitteln, deutet dies möglicherweise auf einen Fehler im Systemdesign hin. In diesem Fall muss das Systemdesign, einschließlich Hardware und Software, erneut geprüft werden. Die Selbstdiagnose von Fehlern im SPS-Steuerungssystem ist ein entscheidender Aspekt der Systemwartung und ein wichtiger Faktor zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit. Die Selbstdiagnose nutzt primär Softwaremethoden, um Fehlerort und -ursache zu ermitteln. Der Umfang der Selbstdiagnose variiert je nach Steuerungssystem. SPSen verfügen über ausgeprägte Selbstdiagnosefunktionen. Bei einer Fehlfunktion der SPS oder eines Peripheriegeräts kann der Ein-/Aus-Status der Diagnose-LEDs an der SPS zur Fehlerlokalisierung herangezogen werden. Die Gesamtdiagnose basiert auf dem Inspektionsablaufdiagramm. Zunächst wird die allgemeine Fehlerrichtung ermittelt und der Prozess schrittweise verfeinert, um den spezifischen Fehler zu finden (siehe Abbildung 2). Fehlerdiagnose der Stromversorgung: Leuchtet die Betriebsanzeige nicht, muss die Stromversorgung überprüft werden. Ist die Betriebsanzeige aus, prüfen Sie zunächst die Stromversorgung. Ist dies der Fall, prüfen Sie die Versorgungsspannung. Ist sie nicht korrekt, passen Sie die Spannung an. Ist die Versorgungsspannung korrekt, prüfen Sie die Sicherung. Ist sie durchgebrannt, tauschen Sie sie aus und prüfen Sie die Stromversorgung. Ist die Sicherung intakt, prüfen Sie die Verkabelung. Wenn die Verkabelung korrekt ist, muss die Stromversorgungskomponente ausgetauscht werden. Diagnose von Betriebsstörungen: Wenn die Stromversorgung in Ordnung ist, die Betriebsanzeige jedoch aus ist, bedeutet dies, dass das System aufgrund einer Störung den normalen Betrieb eingestellt hat. Der Prüfprozess ist in Abbildung 3 dargestellt . Diagnose von Ein-/Ausgangsstörungen: Ein- und Ausgänge dienen dem Informationsaustausch zwischen der SPS und externen Geräten. Ihre korrekte Funktion hängt nicht nur von den Ein-/Ausgabeeinheiten ab, sondern auch vom Zustand von Komponenten wie Verkabelung, Klemmen und Sicherungen. Bei einer Eingangsstörung ist zunächst zu prüfen, ob die LED-Betriebsanzeige auf Feldkomponenten (z. B. Taster, Endschalter usw.) reagiert. Wenn das Eingabegerät aktiviert ist (d. h. die Feldkomponente hat reagiert), die Anzeige jedoch aus ist, ist im nächsten Schritt zu prüfen, ob die Klemmenspannung des Eingangs den korrekten Wert erreicht. Ist der Spannungswert korrekt, kann das Eingangsmodul ausgetauscht werden. Wenn eine LED-Logikanzeige schwächer leuchtet und der Prozessor den Eingang laut Programmierermonitor nicht erkennt, ist möglicherweise das Eingangsmodul defekt. Wenn der Austausch des Moduls das Problem nicht behebt und die Verbindung korrekt ist, liegt die Ursache möglicherweise im E/A-Rack oder im Kommunikationskabel. Bei einem Ausgabefehler prüfen Sie zunächst, ob das Ausgabegerät auf die LED-Statusanzeige reagiert. Sind die Ausgangskontakte bestromt, leuchtet die Modulanzeige, das Ausgabegerät reagiert jedoch nicht. Prüfen Sie dann zuerst die Sicherung oder tauschen Sie das Modul aus. Ist die Sicherung in Ordnung und der Austausch des Moduls behebt das Problem nicht, prüfen Sie die Feldverdrahtung. Zeigt der Monitor des Programmiergeräts an, dass ein Ausgabegerät eingeschaltet werden soll, die Anzeige aber aus ist, muss das Modul ausgetauscht werden. Bei der Diagnose von Eingangs-/Ausgangsfehlern ist es am besten, zu unterscheiden, ob das Problem am Modul selbst oder an den Feldverbindungen liegt. Modulfehler lassen sich leichter erkennen, wenn Leistungs- und Logikanzeigen vorhanden sind. In der Regel besteht der erste Schritt darin, das Modul auszutauschen. Auch wenn die Spannungsmessung am Eingangs- oder Ausgangsklemmenblock korrekt ist, das Modul aber nicht reagiert, sollte es ausgetauscht werden. Behebt der Austausch das Problem nicht, liegt die Ursache möglicherweise in den Feldverbindungen. Wenn das Ausgabegerät abgeschaltet wird und die Spannung zwischen den Ausgangsklemmen einen vordefinierten Wert erreicht, deutet dies auf eine fehlerhafte Feldverdrahtung hin. Ist der Ausgang mit Strom versorgt, die LED-Anzeige aber nicht leuchtend, muss das Modul ausgetauscht werden. Lässt sich das Problem nicht im E/A-Modul finden, prüfen Sie die Modulanschlüsse auf schlechten Kontakt oder Fehlausrichtung. Prüfen Sie abschließend die Kabel an den Anschlussklemmen auf Kabelbrüche und die Lötstellen an den Modulklemmen auf kalte Lötstellen. [B]Anzeigediagnose[B] LED-Statusanzeigen liefern zahlreiche Informationen über Feldgeräte, Verbindungen und E/A-Module. Die meisten Ein-/Ausgabemodule verfügen über mindestens eine Anzeige. Eingangsmodule haben typischerweise eine Betriebsanzeige, Ausgangsmodule hingegen eine Logikanzeige. Bei Eingangsmodulen zeigt die Betriebs-LED an, dass das Eingabegerät mit Strom versorgt wird und ein Signal im Modul anliegt. Diese Anzeige allein kann keinen Modulausfall anzeigen. Die Logik-LED zeigt an, dass das Eingangssignal vom Logikteil der Eingangsschaltung erkannt wurde. Leuchten die Logik- und Betriebsanzeige nicht gleichzeitig, überträgt das Modul das Eingangssignal nicht korrekt an den Prozessor. Leuchtet die Logikanzeige eines Ausgangsmoduls, signalisiert dies, dass die Logikschaltung des Moduls den Befehl des Prozessors erkannt und aktiviert hat. Zusätzlich zur Logikanzeige verfügen einige Ausgangsmodule über eine Sicherungsanzeige oder eine Betriebsanzeige, oder beides. Die Sicherungsanzeige zeigt den Status der Schutzsicherungen im Ausgangskreis an; leuchtet die Betriebsanzeige, ist die Last mit Strom versorgt. Wie bei den Eingangsmodulen deutet ein gleichzeitiges Nichtleuchten der Betriebs- und Logikanzeigen auf einen Fehler im Ausgangsmodul hin. Die tägliche Wartung von SPS- Steuerungen ist relativ einfach und beschränkt sich im Wesentlichen auf den Austausch von Sicherungen und Lithiumbatterien. Es gibt praktisch keine weiteren leicht beschädigbaren Komponenten. Der Arbeitsspeicher (RAM) mit den Benutzerprogrammen, Zählern und Hilfsrelais mit Haltefunktionen ist durch Lithiumbatterien geschützt, deren Lebensdauer etwa 5 Jahre beträgt. Wenn die Spannung der Lithiumbatterie allmählich auf einen bestimmten Wert sinkt, fällt die Batteriespannung an der SPS-Basiseinheit auf die Kontrollleuchte ab. Dies signalisiert dem Benutzer, dass die mit der Lithiumbatterie gespeicherten Programme noch etwa eine Woche lang erhalten bleiben und die Batterie ausgetauscht werden muss. Dies ist der wichtigste Bestandteil der täglichen Wartung. Die Schritte zum Austausch einer Lithiumbatterie sind wie folgt: ■ Vor dem Aus- und Einbau die SPS mindestens 15 Sekunden lang einschalten (dadurch kann sich der Kondensator, der als Notstromversorgung für den Speicher dient, aufladen. Nach dem Abklemmen der Lithiumbatterie kann dieser Kondensator die SPS kurzzeitig mit Strom versorgen, um Datenverlust im RAM zu verhindern); ■ Die Netzstromversorgung der SPS trennen; ■ Das Batteriefach der Basiseinheit öffnen; ■ Die alte Batterie entnehmen und die neue Batterie einsetzen; ■ Das Batteriefach schließen. Beachten Sie, dass der Batteriewechsel so kurz wie möglich erfolgen sollte, in der Regel nicht länger als 3 Minuten. Bei zu langer Dauer gehen die Programme im RAM verloren. Achten Sie beim Auswechseln von Sicherungen unbedingt darauf, das korrekte Modell zu verwenden. Austausch von E/A-Modulen: Wenn ein Modul ausgetauscht werden muss, vergewissern Sie sich, dass das neue Modul vom gleichen Typ ist. Einige E/A-Systeme erlauben den Modulaustausch im laufenden Betrieb, andere erfordern eine Stromunterbrechung. Tritt das Problem nach dem Austausch erneut auf, sollte die induktive Last, die die Spannung erzeugt, überprüft und gegebenenfalls deren Stromspitzen extern abgefangen werden. Brennt die Sicherung nach dem Austausch häufig durch, kann dies auf einen zu hohen Ausgangsstrom des Moduls oder einen Kurzschluss des Ausgabegeräts hindeuten. Die Fehlerdiagnose von SPSen ist entscheidend für den ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb von SPS-Steuerungssystemen. Dieser Artikel beschreibt gängige Methoden der Fehlerdiagnose. In der Praxis sollten alle relevanten Einflussfaktoren auf die SPS berücksichtigt und regelmäßige Inspektionen sowie tägliche Wartungsarbeiten durchgeführt werden, um den sicheren und zuverlässigen Betrieb des SPS-Steuerungssystems zu gewährleisten.