Beim Entwurf eines SPS-Systems (Programmable Logic Controller) besteht der erste Schritt darin, die Steuerungsstrategie zu definieren. Im nächsten Schritt erfolgt die ingenieurmäßige Auswahl der konkreten SPS-Hardware. Als primäre Grundlage für diesen Auswahlprozess dienen die Charakteristika des Prozessablaufs und die spezifischen Anwendungsanforderungen. Die SPS und die zugehörige Ausrüstung sollten integriert und standardisiert sein und nach den Grundsätzen einer nahtlosen Integration in das gesamte industrielle Steuerungssystem und einer einfachen Funktionserweiterung ausgewählt werden. Das gewählte SPS-System sollte eine ausgereifte und zuverlässige Lösung sein, die nachweislich erfolgreich im jeweiligen Industriesektor eingesetzt wird. Darüber hinaus müssen die Hardwarekonfiguration, die Softwarefähigkeiten und die Funktionsmerkmale des Systems angemessen auf die Größe der Anlage und die spezifischen Steuerungsanforderungen abgestimmt sein. Vertrautheit mit SPSen, Funktionsplänen und relevanten Programmiersprachen hilft, die Programmierzeit deutlich zu verkürzen. Daher ist es während der technischen Auswahl- und Schätzungsphase unerlässlich, eine detaillierte Analyse der Prozesseigenschaften und Steuerungsanforderungen durchzuführen; Dabei geht es darum, die Kontrollaufgaben und -umfänge klar zu definieren und die notwendigen Vorgänge und Maßnahmen zu identifizieren. Anschließend-basierend auf diesen Steuerungsanforderungen-kann man die erforderliche Anzahl von Ein-/Ausgabepunkten (I/O) und Speicherkapazität abschätzen und die erforderlichen SPS-Funktionen und externen Gerätespezifikationen bestimmen. Schließlich geht es darum, eine SPS auszuwählen, die ein hervorragendes Preis{10}}Leistungsverhältnis bietet, und das entsprechende Steuerungssystem zu entwerfen.
I/O-Punktschätzung
Bei der Schätzung der Anzahl der I/O-Punkte ist es wichtig, einen angemessenen Spielraum einzuplanen. Typischerweise wird die geschätzte E/A-Anzahl abgeleitet, indem die statistisch berechnete Anzahl der erforderlichen Punkte genommen und ein Erweiterungsspielraum von 10 % bis 20 % hinzugefügt wird. Bei der tatsächlichen Bestellung kann es erforderlich sein, die geschätzte E/A-Anzahl zu runden, um sie an die spezifischen Produktspezifikationen und Modulkonfigurationen des SPS-Herstellers anzupassen.
Speicherkapazität
„Speicherkapazität“ bezieht sich auf die Gesamtgröße der von der SPS selbst bereitgestellten Hardware-Speichereinheiten, während sich „Programmkapazität“ auf den spezifischen Teil dieses Speichers bezieht, der vom Anwendungsprogramm des Benutzers genutzt wird. Folglich ist die Programmkapazität immer kleiner oder gleich der gesamten Speicherkapazität. Da das Anwendungsprogramm des Benutzers während der Entwurfsphase noch nicht geschrieben wurde, bleibt die genaue Programmkapazität unbekannt und kann erst bestimmt werden, nachdem das Programm vollständig debuggt wurde. Um den Auswahlprozess durch eine vernünftige Schätzung des erforderlichen Speichers zu erleichtern, wird während der Entwurfsphase in der Regel die Gesamtspeicherkapazität als Proxy für die Programmkapazität verwendet. Es gibt keine feste Formel zur Schätzung der benötigten Speicherkapazität; Obwohl in der Literatur verschiedene Formeln vorkommen, folgen sie im Allgemeinen einem gemeinsamen Ansatz: Berechnen Sie das 10- bis 15-fache der Anzahl digitaler E/A-Punkte, addieren Sie das 100-fache der Anzahl analoger E/A-Punkte und verwenden Sie diese Summe als Gesamtwortanzahl (wobei ein Wort 16 Bit entspricht) für den Speicher. Zusätzlich sollte eine Sicherheitsmarge in Höhe von 25 % dieses berechneten Wertes berücksichtigt werden.
Auswahl der Steuerfunktionen
Dieser Auswahlprozess beinhaltet die Auswahl spezifischer Merkmale wie Rechenfunktionen, Steuerfunktionen, Kommunikationsfähigkeiten, Programmierfunktionen, Diagnosetools und Verarbeitungsgeschwindigkeit.
1. Arithmetische Funktionen
Die arithmetischen Funktionen einfacher speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) umfassen typischerweise grundlegende Logikoperationen, Timing- und Zählfunktionen. Standard-SPS erweitern dies um Funktionen wie Datenverschiebung und -vergleich. Komplexere arithmetische Fähigkeiten umfassen algebraische Operationen und Datenübertragungsfunktionen. Große SPS integrieren darüber hinaus analoge PID-Regelungsalgorithmen und andere fortschrittliche mathematische Funktionen. Mit dem Aufkommen offener Systeme sind moderne SPS flächendeckend mit Kommunikationsfähigkeiten ausgestattet; Bestimmte Produkte bieten möglicherweise Kommunikation mit Geräten auf niedrigerer Ebene, Peer-{6}zu-{7}Peer-Kommunikation mit anderen SPS, Kommunikation mit Hostsystemen auf höherer Ebene oder Datenaustauschfunktionen mit werksweiten Netzwerken oder Unternehmensnetzwerken. Bei der Auswahl eines Modells in der Entwurfsphase sollte man sich bei der Auswahl an den spezifischen Anforderungen der tatsächlichen Anwendung orientieren und nur die Rechenfunktionen auswählen, die wirklich notwendig sind. In den meisten Anwendungsszenarien genügen grundlegende Logikoperationen, Timing- und Zählfunktionen; Einige Anwendungen erfordern möglicherweise Datenübertragungs- und Vergleichsfunktionen. während algebraische Operationen, numerische Konvertierungen und PID-Steuerungsalgorithmen normalerweise Anwendungen vorbehalten sind, die die Erkennung und Steuerung analoger Signale beinhalten. Vorgänge wie Dekodierung und Kodierung sind erforderlich, wenn Datenanzeigefunktionen benötigt werden.
2. Steuerfunktionen
Zu den Steuerungsfunktionen gehören Algorithmen wie PID-Steuerung, Feed-Forward-Kompensation und Verhältnissteuerung. Die ausgewählten spezifischen Funktionen sollten auf der Grundlage der genauen Steuerungsanforderungen der Anwendung bestimmt werden. Da SPS in erster Linie für die sequentielle Logiksteuerung konzipiert sind, werden analoge Steuerungsaufgaben in den meisten Szenarien typischerweise mit dedizierten Einzel--Loop- oder Multi---Loop-Controllern abgewickelt. Alternativ werden manchmal spezielle intelligente I/O-Module eingesetzt, um bestimmte Steuerfunktionen auszuführen-eine Strategie, die dazu dient, die Gesamtverarbeitungsgeschwindigkeit der SPS zu erhöhen und interne Speicherkapazität zu schonen. Beispiele für solche Spezialmodule sind PID-Steuereinheiten, Hochgeschwindigkeitszähler, analoge Eingangsmodule mit Geschwindigkeitskompensation und ASCII-Umwandlungseinheiten.
3. Kommunikationsfunktionen
Mittlere-bis-große-SPS-Systeme sollten eine Vielzahl von Feldbussen und Standardkommunikationsprotokollen (wie TCP/IP) unterstützen. Darüber hinaus sollten diese Systeme bei Bedarf in der Lage sein, Verbindungen mit dem Managementnetzwerk der Anlage herzustellen (über TCP/IP). Kommunikationsprotokolle müssen den ISO/IEEE-Kommunikationsstandards entsprechen und ein offenes Kommunikationsnetzwerk bilden.
Zu den Kommunikationsschnittstellen des SPS-Systems (Programmable Logic Controller) gehören serielle und parallele Kommunikationsschnittstellen, RIO-Kommunikationsports, gemeinsame DCS-Schnittstellen und dergleichen. Für mittlere-bis-große-SPS-Systeme müssen die Kommunikationsbusse (einschließlich Schnittstellengeräte und Kabel) mit 1:1-Redundanz konfiguriert werden; Diese Kommunikationsbusse müssen internationalen Standards entsprechen und ihre Kommunikationsreichweite muss den tatsächlichen Anforderungen der jeweiligen Einrichtung entsprechen.
Innerhalb des Kommunikationsnetzwerks des SPS-Systems darf die Kommunikationsrate des Netzwerks der oberen-Ebene 1 Mbit/s überschreiten und die Kommunikationslast darf 60 % nicht überschreiten. Die primären Formen von Kommunikationsnetzwerken für SPS-Systeme sind wie folgt:
1) Ein PC fungiert als Master-Station, während mehrere SPS desselben Modells als Slave-Stationen fungieren und ein einfaches SPS-Netzwerk bilden.
2) Eine einzelne SPS fungiert als Master-Station, während andere SPS desselben Modells als Slave-Stationen fungieren und ein Master-{1}}Slave-SPS-Netzwerk bilden.
3) Das SPS-Netzwerk stellt über eine bestimmte Netzwerkschnittstelle eine Verbindung zu einem großen DCS her und fungiert als Subnetz des DCS.
4) Ein proprietäres SPS-Netzwerk (ein Kommunikationsnetzwerk, das speziell für die SPS-Produkte eines bestimmten Herstellers gilt).
Um die Kommunikationsbelastung der CPU zu verringern-und basierend auf den tatsächlichen Anforderungen der Netzwerkkonfiguration- sollten Kommunikationsprozessoren ausgewählt werden, die mit verschiedenen Kommunikationsfunktionen ausgestattet sind (z. B. Punkt{4}}zu-Punkt, Feldbus).
4. Programmierfunktionen
Offline-Programmiermodus: In diesem Modus teilen sich die SPS und das Programmiergerät eine einzige CPU. Wenn sich das Programmiergerät im „Programmiermodus“ befindet, widmet die CPU ihre Dienste ausschließlich dem Programmiergerät und steuert keine Feldgeräte. Sobald die Programmierung abgeschlossen ist, wechselt das Programmiergerät in den „Run-Modus“. An diesem Punkt übernimmt die CPU wieder die Steuerung der Feldgeräte und es können keine Programmiervorgänge durchgeführt werden. Der Offline-Programmiermodus kann die Systemkosten senken, ist jedoch möglicherweise weniger praktisch für die Verwendung und das Debuggen. Online-Programmiermodus: In diesem Modus verfügen die CPU und das Programmiergerät jeweils über eigene dedizierte CPUs. Die Host-CPU ist für die Feldsteuerung verantwortlich und tauscht innerhalb eines einzigen Abtastzyklus Daten mit dem Programmiergerät aus. Das Programmiergerät überträgt die neu erstellten oder geänderten Programmdaten an die Host-CPU, und im darauffolgenden Scan-Zyklus führt die Host-CPU die Systemlogik basierend auf dem neu empfangenen Programm aus. Obwohl dieser Modus mit höheren Kosten verbunden ist, bietet er einen größeren Komfort für das System-Debugging und den Systembetrieb und wird häufig in mittelgroßen bis -großen SPS-Systemen eingesetzt. Es gibt fünf standardisierte Programmiersprachen: drei grafische Sprachen-Sequentielle Funktionsdiagramme (SFC), Kontaktplandiagramme (LD) und Funktionsblockdiagramme (FBD)-und zwei textbasierte-Sprachen-Anweisungslisten (IL) und strukturierter Text (ST). Die ausgewählte Programmiersprache sollte dem relevanten Standard (IEC 61131-3) entsprechen; Darüber hinaus sollte es verschiedene alternative Programmierformen wie C, Basic usw. unterstützen, um den spezifischen Steuerungsanforderungen spezialisierter Anwendungen gerecht zu werden.
5. Diagnosefunktionen
Die Diagnosefunktionen einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) umfassen sowohl Hardware- als auch Softwarediagnosen. Die Hardwarediagnose nutzt hardwarebasierte Logik, um den Ort von Hardwarefehlern zu lokalisieren, während die Softwarediagnose in interne und externe Diagnosen kategorisiert wird. Bei der internen Diagnose wird Software verwendet, um die interne Leistung und Funktionalität der SPS zu bewerten. Bei der externen Diagnose wird Software verwendet, um die Datenaustauschfähigkeiten zwischen der CPU der SPS und externen Komponenten wie Ein-/Ausgabemodulen (I/O) zu bewerten.
Die Robustheit der Diagnosefunktionen einer SPS hat direkten Einfluss auf die erforderliche technische Kompetenz des Betriebs- und Wartungspersonals sowie auf die mittlere Reparaturzeit (MTTR).
6. Verarbeitungsgeschwindigkeit
Speicherprogrammierbare Steuerungen arbeiten mit einem scanbasierten-Mechanismus. Aus Sicht der Echtzeit-Leistungsanforderungen sollte die Verarbeitungsgeschwindigkeit so hoch wie möglich sein; Wenn die Dauer eines Eingangssignals kürzer als die Abtastzeit der SPS ist, erkennt die Steuerung das Signal möglicherweise nicht, was zu Datenverlust führt.
Die Verarbeitungsgeschwindigkeit wird von Faktoren wie der Länge des Benutzerprogramms, der Rechenleistung der CPU und der Qualität der Software beeinflusst. SPS zeichnen sich durch schnelle Kontaktreaktionszeiten und hohe Betriebsgeschwindigkeiten aus, wobei die Ausführungszeit für jeden Binärbefehl typischerweise zwischen 0,2 und 0,4 Mikrosekunden (µs) liegt; Daher eignen sie sich gut-für Anwendungen, die strenge Kontrolle und schnelle Reaktionsfähigkeiten erfordern. Der Scan-Zyklus (Prozessor-Scan-Zeit) sollte die folgenden Kriterien erfüllen: Bei kleinen SPS sollte die Scan-Zeit 0,5 ms pro 1.000 Anweisungen (0,5 ms/K) nicht überschreiten; Bei mittleren-bis-großen-SPSen sollte die Scanzeit 0,2 ms pro 1.000 Anweisungen (0,2 ms/K) nicht überschreiten.
Controller-Typen
Aufgrund ihrer physischen Struktur werden SPS grob in zwei Kategorien eingeteilt: integrale (Monoblock-)Typen und modulare Typen. Basierend auf ihrer Betriebsumgebung werden sie in zwei Kategorien eingeteilt: feld-montierte Einheiten und kontroll-raum-montierte Einheiten. Darüber hinaus werden sie basierend auf der CPU-Wortlänge in 1-Bit-, 4-Bit-, 8-Bit-, 16-Bit-, 32-Bit- und 64-Bit-Systeme kategorisiert. Aus anwendungsorientierter Sicht werden SPSen typischerweise auf der Grundlage ihrer spezifischen Steuerfunktionen oder der erforderlichen Anzahl von Ein-/Ausgabepunkten ausgewählt. Integrierte speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) vom Typ - verfügen über eine feste Anzahl von E/A-Punkten; Folglich haben Benutzer nur eine begrenzte Flexibilität bei der Auswahl, sodass sie für kleine Steuerungssysteme geeignet sind. Modulare SPS hingegen bieten eine große Auswahl an E/A-Karten oder Steckmodulen, sodass Benutzer die spezifische Anzahl der für ihre Steuerungssysteme erforderlichen E/A-Punkte rational auswählen und konfigurieren können. Diese Modularität ermöglicht eine komfortable und flexible Funktionserweiterung und eignet sich daher grundsätzlich für mittlere bis große Steuerungssysteme.
Eingabe-/Ausgabetypen
Diskrete Signale (Schaltgrößen): Diese beziehen sich in erster Linie auf diskrete Eingänge und diskrete Ausgänge-insbesondere auf die Hilfskontakte, die verschiedenen Geräten zugeordnet sind. Beispiele hierfür sind die Hilfskontakte eines Relais im Temperaturregler eines Transformators (die ihren Zustand ändern, wenn der Transformator überhitzt), die Hilfskontakte eines Nockenschalters eines Ventils (die ihren Zustand ändern, wenn das Ventil öffnet oder schließt), die Hilfskontakte eines Schützes (die ihren Zustand ändern, wenn das Schütz betätigt wird) und die Hilfskontakte eines thermischen Überlastrelais (die ihren Zustand ändern, wenn das Relais auslöst). Diese Signale werden typischerweise an eine SPS oder ein umfassendes Schutzgerät übertragen. Die Stromversorgung dieser Kontakte erfolgt im Allgemeinen durch die SPS oder das Schutzgerät selbst; Da die Kontakte keine eigene interne Stromquelle besitzen, werden sie als „passive Kontakte“ (oder „Trockenkontakte“) bezeichnet und im Kontext der SPS oder des Schutzgeräts als diskrete Eingänge klassifiziert.
1. Digitale Größen
Physikalische Größen, die -zeitlich und betragsmäßig diskret sind-, werden als digitale Größen bezeichnet. Die Signale, die diese digitalen Größen darstellen, werden digitale Signale genannt. Elektronische Schaltkreise, die für den Betrieb mit digitalen Signalen ausgelegt sind, werden als digitale Schaltkreise bezeichnet.
Beispiel: Wenn eine elektronische Schaltung verwendet wird, um die Anzahl der von einer automatisierten Produktionslinie ausgegebenen Teile zu zählen, wird für jedes gelieferte Teil ein Signal an die Schaltung gesendet, wodurch diese den Zählwert „1“ registriert. Wenn umgekehrt keine Teile geliefert werden, ist das an die Schaltung angelegte Signal „0“. Somit ist das Signal, das die Anzahl der Teile darstellt, -sowohl zeitlich als auch quantitativ diskontinuierlich-, was es zu einem digitalen Signal macht. Die kleinste Mengeneinheit ist in diesem Zusammenhang eine einzelne Einheit (1).
2. Analoge Größen
Physikalische Größen, die -zeitlich oder betragsmäßig kontinuierlich sind-, werden als analoge Größen bezeichnet. Die Signale, die diese analogen Größen darstellen, werden Analogsignale genannt. Elektronische Schaltkreise, die für den Betrieb mit analogen Signalen ausgelegt sind, werden als Analogschaltkreise bezeichnet.
Beispiel: Das von einem Thermoelement im Betrieb ausgegebene Spannungssignal ist ein analoges Signal. Da die gemessene Temperatur unter keinen Umständen augenblickliche, abrupte Sprünge erfahren kann, ist das resultierende Spannungssignal sowohl zeitlich als auch quantitativ kontinuierlich-. Darüber hinaus hat jeder spezifische Wert, den dieses Spannungssignal während seines kontinuierlichen Variationsprozesses annimmt, eine konkrete physikalische Bedeutung-nämlich, dass er einem bestimmten Temperaturmesswert entspricht. Konvertierungsprinzipien
1. Ein Digital-zu-Analog-Wandler (DAC) ist ein System, das digitale Signale in analoge Signale umwandelt; Dies wird normalerweise durch Tiefpassfilterung erreicht. Das digitale Signal wird zunächst dekodiert-das heißt, die digitalen Codes werden in entsprechende Spannungspegel umgewandelt, um ein treppenförmiges-ähnliches Signal zu bilden-und anschließend einer Tiefpassfilterung unterzogen-.
Gemäß der Signal- und Systemtheorie kann das digitale treppenförmige Signal als Faltung eines idealen, impuls-abgetasteten Signals und eines Rechteckimpulssignals betrachtet werden. Folglich ist das Spektrum des digitalen Signals nach dem Faltungstheorem das Produkt des Spektrums des Impuls-abgetasteten Signals und des Spektrums des Rechteckimpulses (bekannt als Sa-Funktion). Durch die Verwendung des Kehrwerts der Sa-Funktion zur spektralen Kompensation kann somit das ursprünglich abgetastete Signal aus dem digitalen Signal wiederhergestellt werden. Darüber hinaus führt die Anwendung einer idealen Tiefpassfilterung auf das Spektrum des abgetasteten Signals gemäß dem Abtasttheorem zum Spektrum des ursprünglichen analogen Signals.
In der praktischen Umsetzung werden diese theoretischen Prinzipien nicht direkt angewendet, da die Erzeugung scharfer, ideal abgetasteter Signale eine technische Herausforderung darstellt. Daher werden diese beiden Filterstufen (die Sa-Funktionskompensation und die ideale Tiefpassfilterung) typischerweise kombiniert (kaskadiert). Da darüber hinaus die für dieses System erforderlichen idealen Filtereigenschaften physikalisch nicht realisierbar sind, können tatsächliche Systeme nur eine Annäherung an diesen Prozess liefern.
2. Ein Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) ist ein System, das analoge Signale in digitale Signale umwandelt; Dieser Prozess umfasst Filtern, Abtasten und Halten sowie Kodieren.
Das analoge Signal durchläuft zunächst eine bandbegrenzende Filterung und durchläuft eine Abtast- und Halteschaltung, wodurch es sich in ein treppenförmiges Signal umwandelt. Anschließend durchläuft dieses Signal einen Encoder, der jeden einzelnen Spannungspegel innerhalb des Treppensignals in einen entsprechenden Binärcode umwandelt.