Ende der 1960er Jahre brachte ein amerikanisches Unternehmen namens Bedford Associates ein Computergerät auf den Markt, das sie MODICON nannten. Als Akronym stand es für Modular Digital Controller und wurde später zum Namen einer Unternehmensabteilung, die sich mit der Entwicklung, Herstellung und dem Verkauf dieser Spezialsteuercomputer befasste.
Andere Ingenieurbüros entwickelten ihre eigenen Versionen dieses Geräts, und es wurde schließlich unter freiem Namen als PLC oder Programmable Logic Controller bekannt.
SPS
Der Zweck einer PLC bestand darin, elektromechanische Relais direkt als Logikelemente zu ersetzen und stattdessen einen Halbleiter-Digitalcomputer mit einem gespeicherten Programm zu verwenden, der die Verbindung vieler Relais emulieren kann, um bestimmte logische Aufgaben auszuführen.
Eine PLC hat viele „Eingangs“-Anschlüsse, über die sie „hohe“ und „niedrige“ logische Zustände sowie analoge Werte von Schaltern und Sensoren interpretiert.
Es verfügt außerdem über viele Ausgangsklemmen, über die es „High“- und „Low“-Signale ausgibt, um Lampen, Magnetspulen, Schütze, kleine Motoren und andere Geräte mit Strom zu versorgen, die sich für die Ein-/Aus-Steuerung eignen, sowie über analoge Ausgänge zur Steuerung von Steuerventilen, Motordrehzahlregelung usw.
Um die Programmierung von SPS zu vereinfachen, wurde ihre Programmiersprache so gestaltet, dass sie Leiterlogikdiagrammen ähnelt. Ein Ingenieur, der an das Lesen von Leiterlogikdiagrammen gewöhnt ist, würde sich daher wohl dabei fühlen, eine SPS so zu programmieren, dass sie dieselben Steuerfunktionen ausführt.
SPS-Programmierung
Die folgende Abbildung zeigt eine einfache SPS, wie sie von vorne aussehen könnte.
Zwei Schraubklemmen stellen die Verbindung zur Stromversorgung her, um die internen Schaltkreise der SPS mit Strom zu versorgen, gekennzeichnet mit L1 und L2.
Sechs Schraubklemmen auf der linken Seite stellen die Verbindung zu Eingabegeräten her, wobei jede Klemme einen anderen Eingangskanal mit seiner eigenen „X“-Beschriftung darstellt.
Die untere linke Schraubklemme ist eine „gemeinsame“ Verbindung, die im Allgemeinen mit L2 (Neutralleiter) der 120-VAC-Stromquelle verbunden ist.
Im SPS-Gehäuse befindet sich zwischen jedem Eingangsanschluss und dem gemeinsamen Anschluss ein Opto-Isolator (Leuchtdiode), der ein elektrisch isoliertes „High“-Logiksignal an die Computerschaltung liefert (ein Fototransistor interpretiert das Licht der LED), wenn zwischen dem jeweiligen Eingangsanschluss und dem gemeinsamen Anschluss eine Spannung von 120 VAC anliegt.
Eine Anzeige-LED auf der Vorderseite der SPS zeigt optisch einen „aktivierten“ Eingang an:
Ausgangssignale werden von der Computerschaltung der SPS erzeugt, indem ein Schaltgerät (Transistor, TRIAC oder sogar ein elektromechanisches Relais) aktiviert wird, das den „Source“-Anschluss mit einem der mit „Y-“ gekennzeichneten Ausgangsanschlüsse verbindet.
Der „Source“-Anschluss ist dementsprechend normalerweise mit der L1-Seite der 120-VAC-Stromquelle verbunden.
Wie bei jedem Eingang gibt eine Anzeige-LED auf der Vorderseite der SPS eine visuelle Anzeige eines „aktivierten“ Ausgangs:
Auf diese Weise kann die SPS mit realen Geräten wie Schaltern und Magnetspulen kommunizieren.
Die eigentliche Logik des Steuerungssystems wird in der SPS mithilfe eines Computerprogramms eingerichtet.
Dieses Programm bestimmt, welcher Ausgang unter welchen Eingangsbedingungen aktiviert wird.
Obwohl das Programm selbst wie ein Leiterlogikdiagramm mit Schalter- und Relaissymbolen aussieht, gibt es in der SPS keine tatsächlichen Schalterkontakte oder Relaisspulen, die die logischen Beziehungen zwischen Eingang und Ausgang herstellen.
Dies sind sozusagen imaginäre Kontakte und Spulen. Das Programm wird über einen PC eingegeben und angezeigt, der an den Programmieranschluss der SPS angeschlossen ist.
Betrachten Sie den folgenden Schaltkreis und das folgende SPS-Programm:
Wenn der Druckknopfschalter nicht betätigt (nicht gedrückt) ist, wird kein Strom an den X1-Eingang der SPS gesendet.
Wenn Sie dem Programm folgen, das einen normalerweise offenen X1-Kontakt in Reihe mit einer Y1-Spule zeigt, wird kein „Strom“ an die Y1-Spule gesendet. Der Y1-Ausgang der SPS bleibt also stromlos und die daran angeschlossene Kontrollleuchte bleibt dunkel.
Wenn der Druckknopfschalter jedoch gedrückt wird, wird Strom an den X1-Eingang der SPS gesendet.
Alle im Programm erscheinenden X1-Kontakte nehmen den aktivierten (nicht normalen) Zustand an, als wären sie Relaiskontakte, die durch die Aktivierung einer Relaisspule mit dem Namen „X1“ aktiviert werden.
In diesem Fall bewirkt die Aktivierung des X1-Eingangs, dass der normalerweise offene X1-Kontakt „geschlossen“ wird und „Strom“ an die Y1-Spule sendet.
Wenn die Y1-Spule des Programms „aktiviert“ wird, wird der reale Y1-Ausgang aktiviert und die daran angeschlossene Lampe leuchtet auf:
Es muss verstanden werden, dass der X1-Kontakt, die Y1-Spule, die Verbindungskabel und die „Stromversorgung“, die auf dem Display des Computers (Engineering-System, auf dem die SPS-Software geladen ist) erscheinen, alle virtuell sind.
Sie existieren nicht als reale elektrische Komponenten. Sie existieren als Befehle in einem Computerprogramm – nur ein Stück Software –, das zufällig einem realen Relaisschaltplan ähnelt.
Ebenso wichtig ist es zu verstehen, dass der Computer, der zum Anzeigen und Bearbeiten des SPS-Programms verwendet wird, für den weiteren Betrieb der SPS nicht erforderlich ist.
Sobald ein Programm vom Computer in die SPS geladen wurde, kann der Computer von der SPS getrennt werden und die SPS befolgt weiterhin die programmierten Befehle.
Ich habe die Computeranzeige nur zu Ihrem Wohl in diese Abbildungen aufgenommen, um Ihnen zu helfen, die Beziehung zwischen realen Bedingungen (Schalterschließung und Lampenstatus) und dem Status des Programms („Strom“ durch virtuelle Kontakte und virtuelle Spulen) zu verstehen.
Die wahre Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit einer SPS zeigt sich, wenn wir das Verhalten eines Steuerungssystems ändern möchten. Da die SPS ein programmierbares Gerät ist, können wir ihr Verhalten ändern, indem wir die Befehle ändern, die wir ihr geben, ohne die daran angeschlossenen elektrischen Komponenten neu konfigurieren zu müssen.
Nehmen wir beispielsweise an, wir möchten diesen Schalter- und Lampenschaltkreis umgekehrt funktionieren lassen: Drücken Sie den Knopf, um die Lampe auszuschalten, und lassen Sie ihn los, um sie einzuschalten.
Die „Hardware“-Lösung würde erfordern, dass der derzeit vorhandene Schließerschalter durch einen Öffner-Druckknopfschalter ersetzt wird.
Die „Software“-Lösung ist viel einfacher: Ändern Sie einfach das Programm so, dass Kontakt X1 Öffner statt Schließer ist.
In der folgenden Abbildung wird das geänderte System in dem Zustand gezeigt, in dem der Druckknopf nicht betätigt (nicht gedrückt) ist:
In der nächsten Abbildung wird der Schalter betätigt (gedrückt) gezeigt:
Einer der Vorteile der Implementierung logischer Steuerung in Software statt in Hardware besteht darin, dass Eingangssignale im Programm so oft wiederverwendet werden können wie nötig.
Nehmen wir beispielsweise den folgenden Schaltkreis und das folgende Programm, das die Lampe einschaltet, wenn mindestens zwei der drei Druckschalter gleichzeitig betätigt werden:
Um einen äquivalenten Schaltkreis mit elektromechanischen Relais aufzubauen, müssten drei Relais mit jeweils zwei normalerweise offenen Kontakten verwendet werden, um zwei Kontakte pro Eingangsschalter bereitzustellen.
Mit einer SPS können wir jedoch für jeden „X“-Eingang beliebig viele Kontakte programmieren, ohne zusätzliche Hardware hinzuzufügen, da jeder Eingang und jeder Ausgang nichts weiter als ein einzelnes Bit im digitalen Speicher der SPS ist (entweder 0 oder 1) und beliebig oft abgerufen werden kann.
Da außerdem jeder Ausgang in der SPS ebenfalls nichts weiter als ein Bit in ihrem Speicher ist, können wir in einem SPS-Programm Kontakte zuweisen, die durch einen Ausgangsstatus (Y) „betätigt“ werden.
Nehmen wir zum Beispiel das nächste System, eine Start-Stopp-Steuerschaltung für Motoren:
Der an Eingang X1 angeschlossene Druckknopfschalter dient als „Start“-Schalter, während der an Eingang X2 angeschlossene Schalter als „Stopp“ dient.
Ein anderer Kontakt im Programm, Y1 genannt, verwendet den Status der Ausgangsspule direkt als Einschlusskontakt, sodass der Motorschütz auch nach dem Loslassen des „Start“-Druckknopfschalters weiterhin aktiviert wird.
Sie können den normalerweise geschlossenen Kontakt X2 in einem farbigen Block sehen, der anzeigt, dass er sich in einem geschlossenen („elektrisch leitenden“) Zustand befindet.
Wenn wir die „Start“-Taste drücken würden, würde Eingang X1 aktiviert und somit der X1-Kontakt im Programm „geschlossen“, wodurch „Strom“ an die Y1-„Spule“ gesendet, der Y1-Ausgang aktiviert und 120-Volt-Wechselstrom an die echte Motorschützspule angelegt würde.
Der parallele Y1-Kontakt wird ebenfalls „geschlossen“, wodurch der „Schaltkreis“ in einem aktivierten Zustand gehalten wird:
Wenn wir nun den „Start“-Druckknopf loslassen, kehrt der normalerweise offene X1-„Kontakt“ in seinen „offenen“ Zustand zurück, aber der Motor läuft weiter, da der Y1-Verschluss-„Kontakt“ weiterhin „Kontinuität“ zur „Strom“-Spule Y1 bietet und somit den Y1-Ausgang aktiviert hält:
Um den Motor anzuhalten, müssen wir kurz den „Stop“-Druckknopf drücken, wodurch der X2-Eingang aktiviert und der normalerweise geschlossene „Kontakt“ „geöffnet“ wird, wodurch die Kontinuität zur Y1-„Spule“ unterbrochen wird:
Wenn der „Stop“-Druckknopf losgelassen wird, wird Eingang X2 deaktiviert und „Kontakt“ X2 wird in seinen normalen, „geschlossenen“ Zustand zurückversetzt.
Der Motor startet jedoch erst wieder, wenn der „Start“-Druckknopf betätigt wird, da die „Versiegelung“ von Y1 verloren gegangen ist:
Ein wichtiger Punkt hier ist, dass ein ausfallsicheres Design in SPS-gesteuerten Systemen genauso wichtig ist wie in elektromechanischen, relaisgesteuerten Systemen.
Man sollte immer die Auswirkungen einer fehlerhaften (offenen) Verkabelung auf das oder die gesteuerten Geräte berücksichtigen.
In diesem Beispiel einer Motorsteuerungsschaltung haben wir ein Problem: Wenn die Eingangsverkabelung für X2 (den „Stopp“-Schalter) ausfallen würde, gäbe es keine Möglichkeit, den Motor anzuhalten!
Die Lösung für dieses Problem ist eine Umkehrung der Logik zwischen dem X2-„Kontakt“ im SPS-Programm und dem eigentlichen „Stopp“-Druckknopfschalter:
Wenn der normalerweise geschlossene „Stopp“-Druckknopfschalter nicht betätigt (nicht gedrückt) wird, wird der X2-Eingang der SPS aktiviert, wodurch der X2-„Kontakt“ im Programm „geschlossen“ wird.
Dadurch kann der Motor gestartet werden, wenn Eingang X1 aktiviert ist, und er kann weiterlaufen, wenn der „Start“-Druckknopf nicht mehr gedrückt wird.
Wenn der „Stop“-Druckknopf betätigt wird, wird Eingang X2 deaktiviert, wodurch der „Kontakt“ X2 im SPS-Programm „geöffnet“ und der Motor abgeschaltet wird.
Wir sehen also, dass es zwischen diesem neuen Design und dem vorherigen Design keinen betrieblichen Unterschied gibt.
Wenn jedoch die Eingangsverdrahtung am Eingang X2 nicht offen ist, wird Eingang X2 auf die gleiche Weise deaktiviert, wie wenn der „Stop“-Druckknopf gedrückt wird.
Das Ergebnis eines Verdrahtungsfehlers am Eingang X2 ist also, dass der Motor sofort abgeschaltet wird.
Dies ist ein sichereres Design als das zuvor gezeigte, bei dem ein Verdrahtungsfehler am „Stop“-Schalter dazu geführt hätte, dass der Motor nicht abgeschaltet werden konnte.
Zusätzlich zu den Programmelementen für Eingang (X) und Ausgang (Y) bieten SPS „interne“ Spulen und Kontakte ohne intrinsische Verbindung zur Außenwelt.
Diese werden ähnlich wie „Steuerrelais“ (CR1, CR2 usw.) in Standardrelaisschaltungen verwendet: um bei Bedarf eine logische Signalinversion bereitzustellen.
Um zu demonstrieren, wie eines dieser „internen“ Relais verwendet werden könnte, betrachten Sie die folgende Beispielschaltung und das folgende Beispielprogramm, das die Funktion eines NAND-Gatters mit drei Eingängen emulieren soll.
Da SPS-Programmelemente normalerweise aus einzelnen Buchstaben bestehen, werde ich das interne Steuerrelais „C1“ und nicht „CR1“ nennen, wie es in einer Relaissteuerschaltung üblich wäre:
In dieser Schaltung bleibt die Lampe an, solange einer der Druckknöpfe unbetätigt (nicht gedrückt) bleibt.
Um die Lampe auszuschalten, müssen wir alle drei Schalter betätigen (drücken), und zwar wie folgt:
