Лекция1

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1Einführung

1.1Grundfunktionen der Automatisierung

Unter dem Begriff der Automatisierung versteht man umgangssprachlich das Umstellen auf selbsttätige Arbeitsvorgänge im Zusammenhang mit fertigungstechnischen oder verfahrenstechnischen Prozessen wie z.B. der Automobilproduktion oder der Erzeugung elektrischer Energie. Diese Prozesse und Verfahren laufen innerhalb technischer Systeme ab, die aus einer aufgabenspezifischen Anlage und aus standardisierten Automatisierungsgeräten bestehen.

Als Standardautomatisierungsgeräte haben sich Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und Industrie-PCs etabliert. Die SPS als Automatisierungsgerät ist zwar noch überwiegend im Einsatz aber ihre führende Stellung ist nicht mehr unangefochten. PC-basierte Automatisierungssysteme und modulare SPS-Systeme mit besonderen Funktionsbaugruppen können zusätzlich noch anspruchsvollere Funktionen übernehmen. Sie steuern und regeln technische Prozesse und verbinden die Welt der Steuerungstechnik mit der Welt der übergeordneten organisatorischen Lenkung der Produktion.

Unstetige Systeme, die einen Bearbeitungsvorgang auszuführen haben, werden überwiegend gesteuert (Beispiel: Pressensteuerung). Stetige Systeme, die einen großen Energieoder Massenfluss bewältigen müssen, werden überwiegend geregelt (Beispiel: Durchflussregelung). Um den korrekten Ablauf in den Systemen beobachten und ggf. auch eingreifen zu können, werden die Systeme visualisiert. Steuern, Regeln und Visualisieren sind daher als Grundfunktionen der Automatisierung anzusehen.

Die Automatisierungstechnik befindet sich im Umbruch. Durch Anwendung moderner Kommunikationstechnik erhofft man sich entscheidende Verbesserungen bei Effizienz und Flexibilität der Automatisierungsprozesse. Der Begriff der Automatisierungstechnik umfasst heute mehr als nur das Automatisieren im Sinne von Steuern, Regeln und Visualisieren, eingeschlossen ist auch das Kommunizieren.

Zwischen den Anlagenkomponenten eines Automatisierungssystems müssen in der Regel Informationen ausgetauscht werden. Das sind im einfachsten Fall Signale von Sensoren und Aktoren, die zum übergeordneten Automatisierungsgerät gelangen müssen oder von dort her kommen. In anderen Fällen handelt es sich um Messwerte, Statusmeldungen und Diagnose Informationen, die schon kompliziertere Daten darstellen. Realität ist auch, dass Auftragsdaten der Produktion zwischen Büro und Fertigungsanlage übertragen werden müssen. Es liegen also umfangreiche Kommunikationsbeziehungen in der Automatisierungstechnik vor. Wenn man sich vorstellt, dass bei den heutigen Anforderungen der Automatisierungstechnik für jede erforderliche Kommunikationsbeziehung eine Punkt zu Punkt-Verbindung geschaltet werden müsste, so ist der

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Speicherprogrammierbare Steuerungen sind speziell für steuerungstechnische Anwendungen entwickelte Mikrocomputersteuerungen, deren Programme auch ohne spezielle Kenntnisse der Datenverarbeitung erstellt oder angepasst werden können. Je nach Art des verwendeten Speichertyps können diese Steuerungen noch weiter unterteilt werden in freiprogrammierbare oder austauschprogrammierbare Steuerungen. Als Programmspeicher in freiprogrammierbaren Steuerungen werden Schreib-Lese-Speicher (RAM oder EEPROM) eingesetzt, deren Inhalt durch elektrische Signale in beliebigem Umfang geändert werden kann, ohne dass sie aus dem Gerät ausgebaut werden müssen. Bei austauschprogrammierbaren Steuerungen werden als Programmspeicher Nur-Lese-Speicher der Typen ROM bzw. PROM oder EPROM verwendet. Erstere können nicht verändert werden, während die Speicher vom Typ EPROM nach Ausbau aus dem Gerät gelöscht und evtl. neu geschrieben werden können.

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2Speicherprogrammierbare Steuerungen

2.1Entwicklung Speicherprogrammierbarer Steuerungen

Die heute durch Normung festgelegte Bezeichnung "Speicherprogrammierbare Steuerung" betrifft ein digital arbeitendes elektronisches System mit einem programmierbaren Speicher und Eingabe/Ausgabebaugruppen, das durch digitale oder analoge Eingangs-, und Ausgangssignale verschiedene Arten von Maschinen oder Prozessen steuern kann. Wird eine Speicherprogrammierbare Steuerung vom Benutzer durch zugehörige Peripheriegeräte wie Sensoren und Aktoren oder Programmierund Testgeräte ergänzt, so bezeichnet man es als Speicherprogrammierbares Steuerungssystem.

Die erste speicherprogrammierbare Steuerung wurde auf Initiative von General Motors von der Firma Modicon in der USA entwickelt. Weil in den 60er Jahren mit Computern bereits unterschiedlichste Aufgaben gelöst werden konnten, lag es nahe, deren Technik auch bei der Lösung von Steuerungsaufgaben anzuwenden. Das erste Gerät dieser neuen Steuerungsart wurde 1970 auf der Werkzeugmaschinenmesse in Chikago vorgestellt. Während die Fertigungseinrichtungen bis dahin durch Relais und Schützen gesteuert wurden, war die neue Steuerung aus elektronischen Schaltkreisen mit Halbleitern aufgebaut. Diese SPS-Entwicklung basierte auf dem a- merikanischen Ladder-Diagramm also dem in den USA üblichen Stromlaufplan. In Europa wurde der Übergang zwischen Relaissteuerung und SPS keineswegs so direkt vollzogen wie in USA. Hier entstanden in den 60er Jahren zuerst verdrahtete Logiksteuerungen. AEG, BBC und Siemens entwickelten Logikelementen (UND, ODER, NAND, Flipflop u. a. Bausteine), die auf die Umgebungsbedingungen der Steuerungstechnik abgestimmt waren. Also wichtigster Unterschied zwischen der Entwicklung in den USA und Europa war dabei, das die SPS-Entwicklung in den USA von Anfang an auf dem Ladder-Diagramm (KOP) basiert, dagegen die Steuerungstechnik in Europa von der SPS-Entwicklung die Logikelemente.

Diese Art von Mikrocomputersteuerungen wird bezeichnet als:

PLC - Programmable Logic Controller (in der ursprünglichen Fassung der IEC 1131-3:1993 wird von „Progammable Controllers" gesprochen; die Abkürzung "PC" kann jedoch zurzeit nicht verwendet werden, weil sie für "Personal Computer" steht).

SPS - Speicherprogrammierbare Steuerung (seit 1981 für den deutschen Sprachbereich genormte Bezeichnung).

Speicherprogrammierbare Steuerungen sind heute Kern der industriellen Automatisierung. Mit 64% aller SPS-Einsätze ist der Maschinenbau der Hauptanwender. Spätestens seit der «Hochzeit von Maschinenbau und EDV» im Herbst 1985 (6. EMO in Hannover) heißt dort die Devise: «Programmieren statt Verdrahten». Zugleich haben flexible Einrichtungen die starren, auf nur ein Produkt ausgerichtete Maschinen in anderen Fertigungsbereichen verdrangt. Auf-

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grund ihrer kurzen Umrüstzeiten kann die Fertigung schnell auf ein anderes Erzeugnis umgestellt und dieses auch in kleiner Serie wirtschaftlich produziert werden. Dabei wurden die von einer SPS zu lösenden Aufgaben immer umfangreicher und anspruchsvoller, so dass eine Steuerung mittlerweile Regeln, Rechnen und Kommunizieren «gelernt» hat.

2.2Vergleich von VPS und SPS

Verbindungsprogrammierte Steuerungen weisen folgende Vorteile auf:

-die parallele Signalverarbeitung ergibt kurze Reaktionszeiten, die praktisch nur von der Verzögerungszeit der entstörenden Filter abhängt, also es können auch schnelle Signalfolgen erfasst werden;

-es sind keine Programmiergeräte erforderlich und die Kenntnis besonderer Programmier-

sprachen ist nicht erforderlich. Als Nachteile sind zu nennen:

-mit der "Programmierung" (Verdrahtung) kann erst begonnen werden, wenn die Steuerung vollständig aufgebaut ist.

-die Möglichkeiten, ein "Programm" während der Inbetriebnahme zu ändern oder anzupassen sind sehr begrenzt;

-der hohe Aufwand für den Entwurf der Schaltung, für die Fertigungsunterlagen und für die Dokumentation; Änderungen an einem "Programm" können nicht automatisch in Schaltpläne und Listen übernommen werden.

Speicherprogrammierbare Steuerungen sind vom Aufbau her neutrale Steuerungen, mit einer von der Aufgabe unabhängigen "Verdrahtung". Durch Erstellen eines Programms für den geforderten Ablauf der zu steuernden Maschine oder Anlage und Eingabe dieses Programms in den Programmspeicher der Steuerung, wird diese funktionell an das zu steuernde Objekt angepasst. Die Anwender erkannten schnell, dass SPS eine Reihe von Vorteilen aufweisen:

1.Mit einem universellen Gerät (Hardware) können ohne Änderung der Verdrahtung, nur durch Ändern von gespeicherten Befehlszuordnungen (Software) unterschiedliche Steuerungsaufgaben gelöst werden.

2.Durch einfache und schnelle Änderung des Programms ergeben sich besondere Vorteile bei der Inbetriebnahme, bei häufig wechselndem Programmablauf und bei Maschinen mit veränderbarer Bestückung. Häufig benötigte Programme oder Programmteile können in einer Bibliothek abgelegt und beliebig oft in neue Programme eingefügt werden.

3.Sie zeichnen sich durch Robustheit im harten industriellen Einsatz aus. Durch den Einsatz kontaktloser Bauelemente ist die Verfügbarkeit Speicherprogrammierbare Steuerungen deutlich höher als die von elektromechanischen Steuerungen, denn schon die Zuverläs-

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sigkeit integrierter Schaltkreise ist deutlich höher als die mechanisch beanspruchter Bauteile. Kennzeichen dafür ist bei reparablen Produkten der mittlere Ausfallabstand (Mean Time Between Failures, MTBF). Das ist das durchschnittliche Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fehlern.

4.Speicherprogrammierbare Steuerungen beanspruchen nur etwa 1/10 des Volumens von elektromechanischen Steuerungen des gleichen Funktionsumfangs. Dabei wird die Leistungsaufnahme um den Faktor 1000 gesenkt.

5.Moderne Steuerungssysteme sind hierarchisch aufgebaut d.h. aus Baugruppen, Unterbaugruppen, Modulen und Steckkarten, die einzeln gewechselt werden können, ohne die Verdrahtung aufzulösen. Eine Reihe von Speicherprogrammierbaren Steuerungen nutzt heute die vorhandene Intelligenz der Gerate, um durch integrierte Testverfahren den Fehler wenigstens grob, z.B. auf eine Baugruppe zu lokalisieren (BITE = Built In Test E- quipment).

6.Die Programme Speicherprogrammierbarer Steuerungen können durch komfortable Programmiergeräte maschinell dokumentiert werden, so dass es wesentlich einfacher ist, sie immer auf dem aktuellen Stand zu halten. Das Programm kann schon erstellt und getestet werden, während die Steuerung und die Anlage aufgebaut werden.

7.Außerdem ermöglichen heutige Steuerungen eine wesentlich bessere Bedienerführung bis hin zum Datenaustausch mit anderen, übergeordneten Steuerungen oder Informations-

und Prozessleit-Systemen.

Trotz der zahlreichen Vorteile muss man einige kritische Punkte berücksichtigen:

1.Während bei verbindungsprogrammierten Steuerungen alle Signale gleichzeitig (parallel) zur Verarbeitung anstehen, werden bei Speicherprogrammierbaren Steuerungen die einzelnen Steueranweisungen zwar sehr schnell aber immer nacheinander (seriell) bearbeitet. Dadurch ist die Reaktionszeit dieser Steuerungen auf einen Signalwechsel an einem Eingang immer länger als bei Steuerungen mit paralleler Signalverarbeitung und es müssen bestimmte Regeln bezüglich der Reihenfolge der Operationen eingehalten werden.

2.Trotz stark gesunkener Hardware-Kosten ist die SPS-Technik Tür kleine Steuerungsaufgaben oft noch zu teuer. Insbesondere müssen teure Programmiergeräte angeschafft werden, mit denen bis heute meist nur die Steuerungen eines Herstellers programmiert werden können.

3.Für Programmierung, Inbetriebnahme, Wartung und Fehlersuche ist geschultes Personal erforderlich.

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2.3Entwicklungstrends der Automatisierungssysteme

Der Markt für prozessnahe elektronische Steuerungen und elektronische Prozessleitsysteme tritt in ein interessantes Stadium: Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), VMESysteme und Personal Computer (PC) beginnen miteinander um die Gunst der IndustrieAnwender zu rivalisieren, s. Bild 2.1.

Bild 2.1 – Die Technologien der Fabrikund Büroautomatisierung wachsen zusammen Das technologische Aufei nandertreffen setzt neue Innovationskräfte frei, die zu neuen bis dahin für nicht möglich gehaltenen Anwenderlösungen führen werden. Außerdem rücken die Be-

reiche der Fabrikautomatisierung und der Büroautomatisierung immer näher zusammen. So bedarf es keines gewagten Szenarios, um zu sehen, dass am Ende dieses Wegs die Technologien der Fabrikund Büroautomatisierung nur noch übergreifender sein werden.

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Auf zwei interessante Trends sei noch hinzugewiesen:

•Entgegen allen Beschwörungen haben sich bei den SPS-Programmiersprachen noch keine Normen durchgesetzt. Die DIN und andere haben bestenfalls Orientierungscharakter. Dagegen werden durch führende Hersteller gewisse Quasi-Standards geprägt (der Erfolg von IBM PC beruht auch nicht auf einer Norm).

•Da die Hardware der SPS im Trend der Mikroelektronik zunehmend leistungsfähiger, kleiner und preiswerter wird, verlagern sich die Kosten eines SPS-Projekts immer stärker auf die Software, s. Bild 2.2. Folglich steigen die Anforderungen an eine flexible und variable Programmierung von SPS rasant.

Kosten

Software

Bild 2.2 – Die Softwarekosten haben die Hardwarekosten bereits überflügelt

Für € 300,- sind heute schon leistungsstarke Kompakt-SPS am Markt erhältlich, während eine Programmierstunde € 60,- kostet: etwas mehr als ein halber Programmiertag kostet also nur noch eine kleine SPS. Kaum dass der Programmierer mit seinem Tagewerk so richtig begonnen hat, kostet er schon mehr als die zu programmierende SPS. Oder ein Serviceingenieur kostet im Störfall heute € 500,- plus Spesen versteht sich. Natürlich sind solche Vergleiche etwas überspitzt, aber sie machen deutlich, wo zukünftig die Kosten zu senken sind. Denn steigende Personalkosten für Fachpersonal verschieben die Attraktivität einer SPS. Zunehmend wird sich der Markt für die erforderlichen Engineeringkosten einer SPS interessieren, d.h. für die Kosten, die für Projektieren, Programmieren, Inbetriebnahme, Betrieb und Service anfallen.

Multinational oder sogar global agierende Anwender werden Hersteller mit einem breitem und kontinuierlichem Sortiment sowie einem weltweiten Vertriebsund Servicenetz bevorzugen. Entwickeln und produzieren von industriellen Automatisierungskomponenten wird zukünftig nicht mehr alleine ausreichen: ein weltweites Vertriebsund Servicenetz wird bedeutend werden.