Programmierbare Steuerung

SPS für ein Überwachungssystem in der Pharmaindustrie.

A Programmierbare Steuerung (Plc) oder Programmierbare Steuerung ist eine Industrie Computer das war robust und für die Kontrolle von Herstellungsprozessen angepasst, wie z. Montagelinien, Maschinen, Roboter Geräte oder Aktivitäten, die eine hohe Zuverlässigkeit, eine einfache Programmierung und Prozessfehlerdiagnose erfordern. Dick Morley wird als Vater von SPS angesehen, da er die erste SPS, die Modicon 084, für erfunden hatte General Motors 1968.

SPS können von kleinen modularen Geräten mit zehn zehn Eingänge und Ausgänge (E/O), in einem Gehäuse integral mit dem Prozessor, zu großen modularen Geräten mit Tausenden von E/A, die häufig mit anderen SPS und mit anderen SPS vernetzt sind. Scada Systeme.^[1]

Sie können für viele Arrangements von digitaler und analogen E/A, verlängerten Temperaturbereichen, Immunität gegen elektrisches Geräuschund Widerstand gegen Vibrationen und Auswirkungen. Programme zur Steuerung des Maschinenbetriebs werden in der Regel in der Batterie gespeichert oder in der Batterie gespeichert oder Nichtflüchtiger Gedächtnis.

SPS wurden zuerst in der Automobilindustrie entwickelt, um flexible, robuste und leicht programmierbare Controller zu bieten Relaislogik Systeme. Seitdem wurden sie weit verbreitet als hochverträgliche Automatisierungscontroller, die für harte Umgebungen geeignet sind.

Ein SPS ist ein Beispiel für a Harte Echtzeit System, da die Ausgabeergebnisse als Reaktion auf Eingangsbedingungen innerhalb einer begrenzten Zeit erzeugt werden müssen, ansonsten entsteht ein unbeabsichtigter Betrieb.

Erfindung und frühe Entwicklung

PLC stammt aus den späten 1960er Jahren in der Automobilindustrie in den USA und wurde entwickelt, um Relaislogiksysteme zu ersetzen.^[2] Vorher bestand die Kontrolllogik für die Herstellung hauptsächlich aus Relais, Cam -Timer, Drum Sequencerund dedizierte Controller mit geschlossenem Schleifen.^[3]

Die fleißige Natur machte es Designingenieuren schwer, den Automatisierungsprozess zu verändern. Änderungen müssen erneut verkabelt und sorgfältig aktualisiert werden. Wenn sogar ein Draht fehl am Platz wäre oder ein Relais fehlschlägt, würde das gesamte System fehlerhaft werden. Oft verbrachten Techniker stundenlang die Fehlerbehebung, indem sie die Schaltpläne untersuchten und mit vorhandenen Verkabelung verglichen.^[4] Als allgemeine Computer verfügbar wurden, wurden sie bald angewendet, um die Logik in industriellen Prozessen zu kontrollieren. Diese frühen Computer waren unzuverlässig^[5] und erforderliche spezialisierte Programmierer und strenge Kontrolle über Arbeitsbedingungen wie Temperatur, Sauberkeit und Leistungsqualität.^[6]

Die SPS lieferte gegenüber früheren Automatisierungssystemen mehrere Vorteile. Es tolerierte das industrielle Umfeld besser als Computer und war zuverlässiger, kompakt und erforderte weniger Wartung als Relaissysteme. Es war mit zusätzlichen E/A -Modulen leicht auszudehnen, während Relaissysteme bei der Rekonfiguration komplizierte Hardware -Änderungen erforderten. Dies ermöglichte eine leichtere Iteration über das Design des Herstellungsprozesses. Mit einer einfachen Programmiersprache, die sich auf Logik- und Schaltvorgänge konzentriert, war sie benutzerfreundlicher als Computer mithilfe allgemeine Programmiersprachen. Es ermöglichte auch, dass der Betrieb überwacht werden kann.^[7][8] Frühe PLCs wurden in programmiert Leiterlogik, was einem schematischen Diagramm von stark ähnelte Relaislogik. Diese Programmnotation wurde ausgewählt, um die Schulungsanforderungen für die bestehenden Techniker zu verringern. Andere SPS verwendeten eine Form von Anweisungsliste Programmierung, basierend auf einem stapelbasierten Logiklöser.^[9]

Modika

1968 hydramatisch GM (die automatische Übertragung Abteilung von General Motors) gab eine Anfrage nach Vorschlägen für einen elektronischen Ersatz für hart verdrahtete Relaissysteme auf, das auf einem Whitepaper basiert, das von Ingenieur Edward R. Clark geschrieben wurde. Der Gewinnvorschlag stammte von Bedford Associates von Bedford, Massachusetts. Das Ergebnis war die erste SPS, die 1969 im Jahr 1969 gebaut wurde, die 084 zugewandte, da es das vierundachtzigste Projekt von Bedford Associates war.^[10][11]

Bedford Associates startete ein Unternehmen, das sich der Entwicklung, Herstellung, Verkaufs- und Wartung dieses neuen Produkts widmete, das sie benannten Modika (Stehen für modulare digitale Controller). Einer der Menschen, die an diesem Projekt gearbeitet haben Dick Morley, der als "Vater" der SPS angesehen wird.^[12] Die Marke Modicon wurde 1977 an verkauft an Gould -Elektronik und später zu Schneider Electric, der derzeitige Eigentümer.^[11] Ungefähr zur gleichen Zeit hat Modicon erstellt Modbus, ein Datenkommunikationsprotokoll, das mit seinen SPS verwendet wird. Modbus ist seitdem zu einem Standard -Open -Protokoll geworden, das üblicherweise zum Verbinden vieler industrieller elektrischer Geräte verwendet wird.

Eines der ersten 084 -Modelle ist jetzt in der Einrichtung von Schneider Electric in der Einrichtung von Schneider Electric ausgestellt Nord -Andover, Massachusetts. Es wurde Modicon von präsentiert von Gm, als das Gerät nach fast zwanzig Jahren ununterbrochener Dienst in den Ruhestand ging. Modicon verwendete den 84 -Spitznamen am Ende seiner Produktpalette, bis der 984 auftrat.

Alleine bradley

In einer parallele Entwicklung Odo Josef Struger ist manchmal auch als "Vater des programmierbaren Logikcontrollers" bekannt.^[12] Er war an der Erfindung der beteiligt Alleine bradley Programmierbare Steuerung^[13][14][15] und wird die Erfindung des SPS -Initialismus zugeschrieben.^[12][13] Allen-Bradley (jetzt eine Marke gehört von Rockwell -Automatisierung) wurde während seiner Amtszeit ein großer SPS -Hersteller in den USA.^[16] Struger spielte eine Führungsrolle bei der Entwicklung IEC 61131-3 SPS -Programmiersprache.^[12]

Frühe Programmmethoden

Viele frühe SPS waren nicht in der Lage, die Logik grafisch darzustellen, und wurde stattdessen als eine Reihe von logischen Ausdrücken in einer Art booleschem Format dargestellt, ähnlich wie boolsche Algebra. Während sich die Programmierterminals entwickelten, wurde es häufiger für die Verwendung von Leiterlogik, da es sich um ein bekanntes Format handelte, das für elektromechanische Kontrollplatten verwendet wurde. Neuere Formate, wie z. B. Zustandslogik und Funktionsblock^[wenn?] Nicht so beliebt wie Ladder Logic. Ein Hauptgrund dafür ist, dass PLCs die Logik in einer vorhersehbaren und wiederholenden Sequenz lösen, und die Ladder -Logik ermöglicht es der Person, die die Logik schreibt, Probleme mit dem Zeitpunkt der Logiksequenz leichter als in anderen Formaten möglich.^[17]

Bis zur Mitte der neunziger Jahre wurden die SPS mit proprietären Programmierplatten oder Spezialprogramme programmiert Terminals, die oft dedizierte Funktionstasten hatten, die die verschiedenen logischen Elemente von SPS -Programmen darstellten.^[10] Einige proprietäre Programmierterminals zeigten die Elemente von SPS -Programmen als grafische Symbole, aber einfach ASCII Charakterdarstellungen von Kontakten, Spulen und Drähten waren häufig. Programme wurden aufbewahrt Kassettenklebebandpatronen. Die Einrichtungen zum Druck und zur Dokumentation waren aufgrund mangelnder Speicherkapazität minimal. Die ältesten SPS verwendeten nicht flüchtig Magnetischer Kerngedächtnis.

Die Architektur

Ein SPS ist ein industrieller mikroprozessorbasierter Controller mit programmierbarem Speicher, der zur Speicherung von Programmanweisungen und verschiedenen Funktionen verwendet wird.^[18] Es besteht aus:

• Eine Prozessoreinheit (CPU), die Eingänge interpretiert, das im Speicher gespeicherte Steuerprogramm ausführt und Ausgabesignale sendet.
• eine Stromversorgungseinheit, die die Wechselspannung in DC umwandelt,
• Eine Speichereinheit speichert Daten von Eingängen und Programmen, die vom Prozessor ausgeführt werden sollen.
• Eine Eingangs- und Ausgabeschnittstelle, an der der Controller Daten von/an externe Geräte empfängt und sendet.
• Eine Kommunikationsschnittstelle zum Empfangen und Übertragen von Daten in Kommunikationsnetzwerken von/zu Remote -PLCs.^[19]

SPS erfordern Programmiergerät, mit dem das erstellte Programm in den Speicher des Controllers entwickelt und später heruntergeladen wird.^[19]

Moderne SPS enthalten im Allgemeinen a Echtzeit-Betriebssystem, wie zum Beispiel OS-9 oder VxWorks.^[20]

Mechanische Konstruktion

Compact plc mit 8 Eingängen und 4 Ausgängen.

Modulare SPS mit Ethernet/IP Modul, diskret und analoge E/A, wobei einige Slots leer sind.

Für SPS -Systeme gibt es zwei Arten von mechanischer Konstruktion. EIN Single Box, oder ein Backstein ist ein kleiner programmierbarer Controller, der alle Einheiten und Schnittstellen in ein kompaktes Gehäuse passt, obwohl in der Regel zusätzliche Erweiterungsmodule für Eingänge und Ausgänge verfügbar sind. Zweiter Designtyp - a modular SPS - hat ein Chassis (auch als a genannt Gestell) Das bietet Platz für Module mit unterschiedlichen Funktionen wie Stromversorgung, Prozessor, Auswahl von E/A -Modulen und Kommunikationsschnittstellen - die alle für die jeweilige Anwendung angepasst werden können.^[21] Mehrere Racks können von einem einzelnen Prozessor verabreicht werden und haben möglicherweise Tausende von Eingängen und Ausgängen. Entweder wird eine spezielle Hochgeschwindigkeits-serielle E/A-Verbindung oder eine vergleichbare Kommunikationsmethode verwendet, sodass die Racks vom Prozessor weg verteilt werden können, wodurch die Verkabelungskosten für große Pflanzen gesenkt werden. Optionen sind auch verfügbar, um E/A -Punkte direkt an der Maschine zu montieren und schnelle Trennungskabel an Sensoren und Ventile zu verwenden, um Zeit für die Verkabelung zu sparen und Komponenten zu ersetzen.

Diskrete und analoge Signale

Diskrete (digitale) Signale kann nur nehmen an oder aus Wert (1 oder 0,, Stimmt oder FALSCH). Beispiele für Geräte, die ein diskretes Signal liefern Limitschalter, photoelektrische Sensoren und Encoder.^[22] Diskrete Signale werden mit beiden gesendet Stromspannung oder aktuell, wo bestimmte extreme Bereiche als o bezeichnet werdenn und off. Beispielsweise kann ein Controller eine 24 -V -DC -Eingabe mit Werten über 22 V DC verwenden, die O.n, Werte unter 2 V dc, die O darstellenffund Zwischenwerte undefiniert.

Analoge Signale Kann Spannung oder Strom verwenden, der proportional zur Größe der überwachten Variablen ist und einen beliebigen Wert innerhalb ihrer Skala einnehmen kann. Druck, Temperatur, Strömung und Gewicht werden häufig durch analoge Signale dargestellt. Diese werden typischerweise als Ganzzahlwerte mit verschiedenen Genauigkeitsbereichen interpretiert, abhängig vom Gerät und der Anzahl der verfügbaren Bits, mit denen die Daten gespeichert werden können.^[22] Zum Beispiel ein Analog von 0 bis 10 V oder 4-20 Ma Aktuelle Runde Eingabe wäre umgewandelt in einen ganzzahligen Wert von 0 bis 32.767. Die SPS nimmt diesen Wert auf und versetzt ihn in die gewünschten Einheiten des Prozesses, damit der Bediener oder Programm ihn lesen kann. Die ordnungsgemäße Integration umfasst auch die Filterzeiten, um Rauschen sowie hohe und niedrige Grenzwerte zu reduzieren, um Fehler zu melden. Die Stromeingänge sind weniger empfindlich gegenüber elektrischem Rauschen (z. B. von Schweißern oder Elektromotors) als Spannungseingang. Der Abstand vom Gerät und der Controller sind ebenfalls ein Problem, da der maximale Wanderbereich eines Signals von 0 bis 10 V im Vergleich zum 4-20-mA-Signal sehr kurz ist. Das 4-20-mA-Signal kann auch melden, wenn der Kabel entlang des Pfades als <4 mA-Signal getrennt wird.

Redundanz

Einige spezielle Prozesse müssen dauerhaft mit minimalen unerwünschten Ausfallzeiten arbeiten. Daher ist es notwendig, ein System zu entwerfen, das fehlertolerant ist und den Prozess mit fehlerhaften Modulen bearbeiten kann. In solchen Fällen, um die Verfügbarkeit der Systeme im Falle eines Hardwarekomponentenfehlers zu erhöhen, erhöhen Sie die Systemverfügbarkeit überflüssig CPU- oder E/A -Module mit derselben Funktionalität können zur Hardwarekonfiguration hinzugefügt werden, um die Gesamt- oder Teilprozessabschaltung aufgrund eines Hardwarefehlers zu verhindern. Andere Redundanzszenarien könnten mit sicherheitskritischen Prozessen zusammenhängen. Beispielsweise könnten große hydraulische Pressen erforderlich sein, dass beide SPS einen Ausgang einschalten, bevor die Presse heruntergekommen ist, falls ein Ausgang nicht ordnungsgemäß ausgeschaltet wird.

Programmierung

Beispiel für eine Leiterdiagrammlogik

Programmierbare Logiksteuerungen sollen von Ingenieuren ohne Programmierhintergrund verwendet werden. Aus diesem Grund nannte eine grafische Programmiersprache Leiterdiagramm (LD, Junge) wurde zuerst entwickelt. Es ähnelt dem schematischen Diagramm eines mit elektromechanischen Relais gebauten Systems und wurde von vielen Herstellern übernommen und später standardisiert in der IEC 61131-3 Steuerungssysteme Programmierstandard. Ab 2015^{[aktualisieren]}Es wird dank seiner Einfachheit immer noch weit verbreitet.^[23]

Ab 2015^{[aktualisieren]}Die Mehrheit der SPS -Systeme haften an die IEC 61131-3 Standard, der 2 Textprogrammiersprachen definiert: Strukturierter Text (St; ähnlich wie Pascal) und Anweisungsliste (IL); sowie 3 grafische Sprachen: Leiterdiagramm, Funktionsblockdiagramm (FBD) und Sequentielle Funktionsdiagramm (SFC).^[23][24] Anweisungsliste (IL) wurde in der dritten Ausgabe des Standards veraltet.^[25]

Moderne SPS können auf verschiedene Weise programmiert werden, von der Logik der Relais-Leiter bis hin zu Programmiersprachen wie speziell angepassten Dialekten von BASIC und C.

Während die grundlegenden Konzepte der SPS -Programmierung allen Herstellern gemeinsam sind, bedeuten Unterschiede in der E/A -Adressierung, der Speicherorganisation und der Anweisungssätze, dass SPS -Programme zwischen verschiedenen Herstellern niemals perfekt austauschbar sind. Selbst innerhalb derselben Produktlinie eines einzelnen Herstellers sind verschiedene Modelle möglicherweise nicht direkt kompatibel.

Programmiergerät

SPS -Programme werden in der Regel in einem Programmiergerät geschrieben, das in Form einer Desktop -Konsole, einer speziellen Software auf einem persönlicher Computeroder ein Handheld -Programmiergerät.^[26] Anschließend wird das Programm direkt oder über ein Netzwerk in die SPS heruntergeladen. Es wird entweder in nichtflüchtiger Aufbewahrung aufbewahrt Flash-Speicher oder batteriebesetzt RAM. In einigen programmierbaren Controllern wird das Programm über ein Programmierboard von einem Personalcomputer auf die SPS übertragen, das das Programm in einen abnehmbaren Chip schreibt, wie z. Eprom.

Hersteller entwickeln Programmiersoftware für ihre Controller. Sie können nicht nur in mehreren Sprachen PLCs programmieren, sondern bieten gemeinsame Funktionen wie Hardware -Diagnose und -wartung, Software -Debugging und Offline -Simulation.^[26]

Ein auf einem Personal Computer geschriebenes Programm oder hochgeladen von SPS mit der Programmiersoftware kann einfach kopiert und im externen Speicher gesichert werden.

Simulation

SPS -Simulation ist eine Funktion, die häufig in der SPS -Programmiersoftware zu finden ist. Es ermöglicht Tests und Debuggen früh in der Entwicklung eines Projekts.

Falsch programmierte SPS kann zu einer verlorenen Produktivität und gefährlichen Bedingungen führen. Das Testen des Projekts in der Simulation verbessert seine Qualität, erhöht das mit Geräten verbundene Sicherheitsniveau und kann während der Installation und Inbetriebnahme automatisierter Steueranwendungen kostspielige Ausfallzeiten sparen, da viele Szenarien vor dem Aktivieren des Systems ausprobiert werden können.^[26][27]

Funktionalität

SPS-System in einem Rack, links nach rechts: Netzteil (PSU), CPU, Schnittstellenmodul (IM) und Kommunikationsprozessor (CP)

Bedienfeld mit SPS (graue Elemente in der Mitte). Die Einheit besteht aus getrennten Elementen von links nach rechts; Energieversorgung, Controller, Relais Einheiten für In- und Ausgabe

Der Hauptunterschied zu den meisten anderen Computergeräten besteht darin, dass Plcs für und daher tolerantere Erkrankungen (wie Staub, Feuchtigkeit, Wärme, Kälte) beabsichtigt sind, während sie umfangreich sind Input-Output (E/O), um die SPS mit zu verbinden Sensoren und Aktuatoren. SPS -Eingaben können einfache digitale Elemente wie z. Limitschalter, analoge Variablen von Prozesssensoren (wie Temperatur und Druck) und komplexere Daten wie die von Positionierung oder Maschinenaufwand Systeme.^[28] Die SPS -Ausgabe kann Elemente wie Indikatorlampen, Sirenen, umfassen, umfassen Elektromotoren, pneumatisch oder hydraulisch Zylinder, magnetisch Relais, Magnetoideoder analoge Ausgänge. Die Eingangs-/Ausgangsanordnung kann in eine einfache SPS eingebaut werden, oder die SPS kann extern sein E/A -Module an ein Feldbus oder ein Computernetzwerk angeschlossen, das in die SPS angeschlossen ist.

Die Funktionalität der SPS hat sich im Laufe der Jahre entwickelt, um eine sequentielle Relaissteuerung, Bewegungskontrolle, einzubeziehen. Prozesssteuerung, Verteilte Steuerungssysteme, und Networking. Die Daten zur Handhabung, Speicherung, Verarbeitungsleistung und Kommunikation einiger moderner SPS entsprechen ungefähr zu Desktop-Computer. SPS-ähnliche Programmierung in Kombination mit Remote-E/A-Hardware können ein allgemeiner Desktop-Computer einige SPS in bestimmten Anwendungen überlappen. Desktop -Computercontroller wurden in der schweren Industrie nicht allgemein akzeptiert Die in SPS verwendeten Prozessoren. Betriebssysteme wie Windows eignen sich nicht für eine deterministische logische Ausführung, mit dem Ergebnis, dass der Controller möglicherweise nicht immer auf Änderungen des Eingabestatus reagiert, wobei die von SPS erwartete Konsistenz des Timings erwartet wird. Desktop -Logikanwendungen finden in weniger kritischen Situationen wie Laborautomatisierung und Verwendung in kleinen Einrichtungen, in denen die Anwendung weniger anspruchsvoll und kritisch ist.

Basisfunktionen

Die grundlegendste Funktion eines programmierbaren Controllers besteht darin, die Funktionen elektromechanischer Relais zu emulieren. Diskrete Eingänge erhalten eine eindeutige Adresse, und ein SPS -Befehl kann testen, ob der Eingabestatus ein- oder ausgeschaltet ist. Genau wie eine Reihe von Relaiskontakten eine logische und Funktion ausführen, sodass der Strom nicht erfolgen kann, es sei denn, alle Kontakte sind geschlossen. Eine Reihe von "Untersuchung, wenn auf" Anweisungen das Ausgangspeicher mit Strom versorgen, wenn alle Eingangsbits eingeschaltet sind. In ähnlicher Weise führt ein paralleler Anweisungssatz ein logisches OR durch. In einem elektromechanischen Relais -Schaltplan wird eine Gruppe von Kontakten, die eine Spule kontrollieren, als "Sprosse" eines "Leiterdiagramms" bezeichnet, und dieses Konzept wird auch zur Beschreibung der SPS -Logik verwendet. Einige Modelle von SPS begrenzen die Anzahl der Serien- und Parallelanweisungen in einem "Spannen" der Logik. Die Ausgabe jedes ROGS setzt oder löscht ein Speicherbit, das mit einer physischen Ausgangsadresse verbunden sein kann oder die möglicherweise eine "interne Spule" ohne physische Verbindung ist. Solche internen Spulen können beispielsweise als gemeinsames Element in mehreren separaten Sprossen verwendet werden. Im Gegensatz zu physischen Relais gibt es in der Regel keine Grenze für die Anzahl der Ein-, Ausgabe oder eine interne Spule, die in einem SPS -Programm referenziert werden können.

Einige SPS erzwingen eine strenge Ausführungsreihenfolge von links nach rechts, um die Rund-Logik zu bewerten. Dies unterscheidet sich von elektromechanischen Relaiskontakten, die je nach Konfiguration der umgebenden Kontakte entweder den Strom von links nach rechts oder rechts nach rechts übergeben können. Die Beseitigung dieser "Sneak -Pfade" ist je nach Programmierstil entweder ein Fehler oder eine Funktion.

Fortgeschrittene Anweisungen der SPS können als Funktionsblöcke implementiert werden, die bei der Aktivierung eines logischen Eingangs einen gewissen Betrieb durchführen und Ausgänge zum Signal erzeugen, z.

Kommunikation

SPS verwenden integrierte Ports wie z. USB, Ethernet, RS-232, RS-485, oder RS-422 mit externen Geräten (Sensoren, Aktuatoren) und Systemen (Programmiersoftware, kommunizieren Scada, HMI). Die Kommunikation wird über verschiedene industrielle Netzwerkprotokolle übertragen Modbus, oder Ethernet/IP. Viele dieser Protokolle sind vendorspezifisch.

SPS, die in größeren E/A -Systemen verwendet werden Peer-To-Peer (P2P) Kommunikation zwischen Prozessoren. Dies ermöglicht es separate Teile eines komplexen Prozesses, eine individuelle Kontrolle zu haben und gleichzeitig die Subsysteme über die Kommunikationsverbindung zu koordinieren. Diese Kommunikationsverbindungen werden auch häufig für verwendet HMI Geräte wie Tastaturen oder PC-Typ -Arbeitsstationen.

Früher boten einige Hersteller dedizierte Kommunikationsmodule als Add-On-Funktion an, bei denen der Prozessor keine Netzwerkverbindung integriert hatte.

Benutzeroberfläche

Bedienfeld mit einer SPS -Benutzeroberfläche für Thermaloxidator Verordnung.

SPS müssen möglicherweise mit Personen mit Menschen interagieren, um Konfiguration, Alarmberichterstattung oder alltägliche Kontrolle zu erhalten. EIN Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) wird zu diesem Zweck beschäftigt. HMIs werden auch als Man-Maschine-Schnittstellen (MMIS) und grafische Benutzeroberflächen (GUIs) bezeichnet. Ein einfaches System kann Schaltflächen und Lichter verwenden, um mit dem Benutzer zu interagieren. Textanzeigen sind ebenso verfügbar sowie grafische Touchscreens. Komplexere Systeme verwenden die auf einem Computer installierte Programmier- und Überwachungssoftware, wobei die SPS über eine Kommunikationsschnittstelle verbunden ist.

Prozess eines Scan -Zyklus

Ein SPS arbeitet in einem Programm -Scan -Zyklus, in dem es sein Programm wiederholt ausführt. Der einfachste Scan -Zyklus besteht aus 3 Schritten:

1. Eingänge lesen,
2. das Programm ausführen,
3. Schreiben Sie Ausgänge.^[29]

Das Programm folgt der Abfolge der Anweisungen. In der Regel dauert es eine Zeitspanne von zehn Millisekunden, damit der Prozessor alle Anweisungen bewertet und den Status aller Ausgänge aktualisiert.^[30] Wenn das System Remote -E/O enthält - zum Beispiel ein externes Rack mit E/A -Modulen -, dann führt dies zusätzliche Unsicherheiten in der Reaktionszeit des SPS -Systems ein.^[29]

Als PLCs weiter fortgeschritten wurden, wurden Methoden entwickelt, um die Abfolge der Leiterausführung zu ändern, und Unterprogramme wurden implementiert.^[31] Diese erweiterte Programmierung könnte verwendet werden, um die Scan-Zeit für Hochgeschwindigkeitsprozesse zu sparen. Beispielsweise könnten Teile des Programms, das nur zum Einrichten der Maschine verwendet wird, von den Teilen getrennt werden, die für den Betrieb mit höherer Geschwindigkeit erforderlich sind. Neuere SPS jetzt^[ab?] Haben Sie die Möglichkeit, das Logikprogramm synchron mit dem IO -Scannen auszuführen. Dies bedeutet, dass IO im Hintergrund aktualisiert wird und die Logik die Werte gemäß dem Logik -Scannen liest und schreibt.

Spezial-Purpose-E/A-Module können verwendet werden, wenn die Scan-Zeit der SPS zu lang ist, um eine vorhersehbare Leistung zu ermöglichen. Präzisionszeitmodule oder Zählermodule für die Verwendung mit Wellencodierer, werden verwendet, wenn die Scan -Zeit zu lang dauert, um Impulse zuverlässig zu zählen oder das Drehgefühl eines Encoders zu erkennen. Dies ermöglicht es sogar einer relativ langsamen SPS, die gezählten Werte weiterhin zu interpretieren, um eine Maschine zu steuern, da die Akkumulation von Impulsen durch ein dediziertes Modul erfolgt, das von der Geschwindigkeit der Programmausführung nicht betroffen ist.^[32]

Sicherheit

In seinem Buch von 1998 wies E. A. Parr darauf hin, dass die meisten programmierbaren Controller physische Schlüssel und Passwörter benötigen, das Fehlen strikter Zugriffskontroll- und Versionskontrollsysteme sowie eine leicht verständliche Programmiersprache wahrscheinlich, dass nicht autorisierte Änderungen der Programme wird passieren und unbemerkt bleiben.^[33]

Vor der Entdeckung der Stuxnet Computerwurm Im Juni 2010 erhielt die Sicherheit von SPS wenig Aufmerksamkeit. Moderne programmierbare Controller enthalten im Allgemeinen ein Echtzeit-Betriebssystem, das anfällig für Exploits auf ähnliche Weise wie Desktop-Betriebssysteme wie Desktop-Systeme sein kann Microsoft Windows. SPS können auch angegriffen werden, indem sie die Kontrolle über einen Computer erlangen, mit dem sie kommunizieren.^[20] Seit 2011^{[aktualisieren]}Diese Bedenken sind zugenommen, da die Networking in der SPS -Umgebung immer häufiger die zuvor separaten Netzwerke und Büronetzwerke für Anlagen verbinden.^[34]

Im Februar 2021,, Rockwell -Automatisierung öffentlich eine kritische Sicherheitsanfälligkeit offenbarte, die sich auf die Familie der Logix -Controller auswirkt. Geheimer kryptografischer Schlüssel gewöhnt an Kommunikation überprüfen Zwischen der SPS und der Workstation können aus Studio 5000 Logix Designer -Programmiersoftware extrahiert und zum Auswechseln des Programmcodes und der Konfiguration von Connected Controller verwendet werden. Die Sicherheitsanfälligkeit erhielt einen Schweregrad von 10 von 10 auf der CVSS -Sicherheitsskala. Zum Zeitpunkt des Schreibens war die Minderung der Verwundbarkeit zu Begrenzen Sie den Netzwerkzugriff auf betroffene Geräte.^[35][36]

Safety Plcs

Sicherheits -PLCs können entweder ein eigenständiges Modell oder a sein Sicherheitsbewertung Hardware und Funktionalität, die vorhandenen Controller -Architekturen hinzugefügt wurden (Alleine bradley Guardlogix, Siemens F-Serie usw.). Diese unterscheiden sich von herkömmlichen PLC-Typen, indem sie für sicherheitskritische Anwendungen geeignet sind, für die PLCs traditionell mit fest verdrahteten Ergänzung ergänzt wurden Sicherheitsrelais und Bereiche des Speichers, die den Sicherheitsanweisungen gewidmet sind. Der Standard des Sicherheitsniveaus ist der Sil.

Eine Sicherheits -PLC könnte verwendet werden, um den Zugang zu a zu steuern Roboterzelle mit Zugang für gefangene Schlüsseln, oder um die Abschaltreaktion auf einen Notstopp auf einer Förderproduktionslinie zu verwalten. Solche SPS haben in der Regel einen eingeschränkten regulären Befehlssatz, der mit sicherheitsspezifischen Anweisungen ausgestattet ist, um mit Notstopps, leichten Bildschirmen usw. zu verknüpfen.

Die Flexibilität, die solche Systeme anbieten, hat zu einem raschen Wachstum der Nachfrage nach diesen Controllern geführt.

SPS im Vergleich zu anderen Steuerungssystemen

SPS in einem Bedienfeld installiert

Kontrollzentrum mit einer SPS für a RTO

SPS sind gut an eine Reihe von angepasst Automatisierung Aufgaben. Dies sind in der Regel industrielle Prozesse im Fertigung, bei denen die Kosten für die Entwicklung und Wartung des Automatisierungssystems im Vergleich zu den Gesamtkosten der Automatisierung hoch sind und bei der Änderungen am System während seiner Betriebsdauer zu erwarten sind. SPS enthalten Eingangs- und Ausgangsgeräte, die mit industriellen Pilotgeräten und Steuerelementen kompatibel sind. Es ist nur wenig elektrisches Design erforderlich, und das Designproblem dreht sich um die Ausdrücken der gewünschten Abfolge von Operationen. SPS-Anwendungen sind in der Regel hochgewohnte Systeme, sodass die Kosten für eine verpackte SPS im Vergleich zu den Kosten eines spezifischen speziell gebauten Controller-Designs niedrig sind. Andererseits sind im Falle von Massenprodukten maßgeschneiderte Kontrollsysteme wirtschaftlich. Dies ist auf die niedrigeren Kosten der Komponenten zurückzuführen, die optimal anstelle einer "generischen" Lösung ausgewählt werden können und bei denen die nicht wiederholenden Ingenieurgebühren über Tausende oder Millionen Einheiten verteilt werden.

Programmierbare Controller werden in Bewegung, Positionierung oder Drehmomentkontrolle weit verbreitet. Einige Hersteller produzieren Bewegungssteuerungseinheiten, die in SPS integriert werden sollen G-Code (Einbeziehung a CNC Maschine) kann verwendet werden, um Maschinenbewegungen anzuweisen.^[37]

SPS -Chip / Embedded Controller

Nano Ace Plc & Chip plc für kleine Maschinenbauer / kleine oder mittlere Volumina.

Für kleine Maschinen mit niedrigem oder mittlerem Volumen. SPS, die SPS-Sprachen wie Leiter, Flow-Chart/Grafcet, ... ähnlich wie herkömmliche PLCs ausführen können, aber ihre geringe Größe ermöglicht es den Entwicklern, sie in benutzerdefinierte gedruckte Leiterplatten wie ein Mikrocontroller zu entwerfen, ohne Computerprogrammierkenntnisse, aber mit einem Sprache, die einfach zu verwenden, zu ändern und zu warten. Es liegt zwischen den klassischen PLC / Micro-PLC und den Mikrocontrollern.

Cam -Timer

Für hohe Volumen oder sehr einfache Aufgaben der festen Automatisierung werden verschiedene Techniken verwendet. Zum Beispiel ein billiger Verbraucher Geschirrspülmaschine würde von einem elektromechanischen gesteuert werden Cam -Timer kostet nur wenige Dollar an Produktionsmengen.

Mikrocontroller

A Mikrocontroller-Basierendes Design wäre angemessen, wenn Hunderte oder Tausende von Einheiten hergestellt werden, und so können die Entwicklungskosten (Design von Netzteilen, Eingangs-/Ausgangshardware sowie notwendige Tests und Zertifizierung) über viele Verkäufe verteilt werden und wo der Endbenutzer müsste die Kontrolle nicht ändern. Automobilanwendungen sind ein Beispiel. Jedes Jahr werden Millionen Einheiten gebaut, und nur sehr wenige Endbenutzer verändern die Programmierung dieser Controller. Einige Spezialfahrzeuge wie Transitbusse verwenden jedoch wirtschaftlich SPS anstelle von maßgeschneiderten Kontrollen, da die Volumina niedrig sind und die Entwicklungskosten unwirtschaftlich wären.^[38]

Single-Board-Computer

Eine sehr komplexe Prozesskontrolle, wie sie in der chemischen Industrie verwendet werden, benötigen möglicherweise Algorithmen und Leistung, die über die Fähigkeit von PLCs von Hochleistungen hinausgehen. Sehr Hochgeschwindigkeits- oder Präzisionskontrollen erfordern möglicherweise auch maßgeschneiderte Lösungen. Zum Beispiel Flugzeugflugsteuerungen. Single-Board-Computer Die Verwendung semi-kundenspezifischer oder vollständig proprietärer Hardware kann für sehr anspruchsvolle Kontrollanwendungen ausgewählt werden, bei denen die hohen Entwicklungs- und Wartungskosten unterstützt werden können. "Soft PLCs", die auf Computern vom Typ Desktop ausgeführt werden, können mit industrieller E/A-Hardware verknüpfen, während Programme in einer Version von kommerziellen Betriebssystemen ausgeführt werden, die für die Anforderungen der Prozesssteuerung angepasst sind.^[38]

Die zunehmende Popularität von Single Board Computers hat auch einen Einfluss auf die Entwicklung von SPS gehabt. Traditionelle SPS sind im Allgemeinen geschlossene Plattformen, aber einige neuere SPS (z. B. Groov epic von Opto 22, Strgx von Bosch Rexroth, PFC200 von Wago, Plcnext von Phoenix Contactund Revolution PI von Kunbus) liefern die Merkmale traditioneller SPS auf einem Offene Plattform.

PID -Controller

SPS kann eine Logik für ein Variable Feedback Analog Control Loop enthalten, a PID -Controller. Eine PID -Schleife könnte beispielsweise zur Steuerung der Temperatur eines Herstellungsprozesses verwendet werden. Historisch gesehen wurden SPS normalerweise mit nur wenigen analogen Steuerschlägen konfiguriert. Wo Prozesse Hunderte oder Tausende von Schleifen erforderten, a verteiltes Kontrollsystem (DCS) würde stattdessen verwendet. Da SPS stärker geworden ist, wurde die Grenze zwischen DCs und SPS -Anwendungen verschwommen.

Programmierbare Logikrelais (PLR)

In den letzten Jahren,^[wenn?] Kleine Produkte, die als programmierbare Logikrelais (PLRs) oder intelligente Relais bezeichnet werden, sind häufiger und akzeptiert. Diese ähneln SPS und werden in der Lichtindustrie verwendet, wo nur wenige Punkte von E/A benötigt und niedrige Kosten gewünscht werden. Diese kleinen Geräte werden in der Regel von mehreren Herstellern in einer gemeinsamen physischen Größe und Form hergestellt und von den Herstellern größerer SPS gebrandmarkt, um ihre niedrige Produktpalette auszufüllen. Die meisten davon haben 8 bis 12 diskrete Eingänge, 4 bis 8 diskrete Ausgänge und bis zu 2 analoge Eingänge. Die meisten dieser Geräte enthalten einen winzigen LCD-Bildschirm in Porto-Stempelgroß 4-Wege-Rocker-Push-Button plus vier weitere separate Druckbuttons, ähnlich den Schlüsselknöpfen einer VCR-Fernbedienung, und zum Navigieren und Bearbeiten der Logik verwendet. Meisten Mac OS oder Linux, die benutzerfreundliche (g) UIS haben, um zu programmieren, anstatt gezwungen zu werden, den winzigen LCD- und Push-Button-Set für diesen Zweck zu verwenden. Im Gegensatz zu normalen SPS, die normalerweise modular und stark erweiterbar sind, sind die PLRs normalerweise nicht modular oder erweiterbar, aber ihr Preis kann zwei sein Größenordnungen Weniger als eine SPS, und sie bieten immer noch ein robustes Design und eine deterministische Ausführung der Logik.

Eine Variante von SPS, die an entfernten Stellen verwendet werden, ist die Remote Terminal Unit oder RTU. Eine RTU ist in der Regel eine geringe Stromversorgung, Ruggedized SPS, deren Schlüsselfunktion darin besteht, die Kommunikationsverbindungen zwischen der Website und dem zentralen Steuerungssystem zu verwalten (normalerweise Scada) oder in einigen modernen Systemen "The Cloud". Im Gegensatz zur Fabrikautomatisierung mit hoher Geschwindigkeit Ethernet, Kommunikationslinks zu Remote -Websites sind häufig auf Funkbasis und weniger zuverlässig. Um die reduzierte Zuverlässigkeit zu berücksichtigen, puffert RTU Nachrichten oder wechselt auf alternative Kommunikationspfade. Bei der Pufferung von Nachrichten wird die RTU jede Nachricht Zeitstempel so, dass eine vollständige Geschichte von Site -Ereignissen rekonstruiert werden kann. RTU IEC 61131-3 Standard, der vielen SPS, RTUs und DCSS gemeinsam ist. In abgelegenen Standorten ist es üblich, eine RTU als Gateway für eine SPS zu verwenden, bei der die SPS die gesamte Standortsteuerung durchführt und die RTU Kommunikationen, Zeitstempelereignisse und Überwachung von Zusatzgeräten verwaltet. Auf Websites mit nur einer Handvoll E/A ist die RTU möglicherweise auch die Site PLC und führt sowohl Kommunikations- als auch Kontrollfunktionen aus.

Siehe auch

• Industrial Control Systems
• Industrielle Sicherheitssysteme
• SPS -Techniker
• 1-Bit-Architektur

Verweise

Literaturverzeichnis

Weitere Lektüre

• Daniel Kandray, Programmierbare Automatisierungstechnologien, Industrial Press, 2010 ISBN978-0-8311-3346-7, Kapitel 8 Einführung in programmierbare Logikkontroller
• Walker, Mark John (2012-09-08). Der programmierbare Logik -Controller: seine Vorgeschichte, Entstehung und Anwendung (PDF) (Doktorarbeit). Abteilung für Kommunikation und Systeme Fakultät für Mathematik, Computer und Technologie: Die offene Universität. Archiviert (PDF) vom Original am 2018-06-20. Abgerufen 2018-06-20.