Elektrische/elektronische Steuer- und Regeleinrichtungen

01. Welcher Unterschied besteht zwischen Verknüpfungs- und Ablaufsteuerungen?

Der Unterschied zwischen beiden Steuerungsarten liegt in der Form der Signalverarbeitung:

• Bei den Verknüpfungssteuerungen

  resultiert die Steuergröße durch die Verknüpfung mehrerer Signale. Ein schrittweiser Ablauf ist nicht erforderlich.

  Beispiel

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  Ein Maschine verrichtet erst dann Arbeit, wenn die Schutzvorrichtung geschlossen ist und beide Handtaster gleichzeitig betätigt werden.

• Bei Ablaufsteuerungen

  erfolgen die Einzelprozesse zwangsläufig schrittweise. Ein definierter Gesamtprozess wird in Teilschritte zerlegt und logisch strukturiert. Die Durchführung eines Teilschrittes ist von Weiterschaltbedingungen (Transitionen) abhängig. Diese sind entweder zeitabhängig oder prozessabhängig.

  Beispiel

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  • Ein Bearbeitungsteil wird an einer Maschine per Hand eingelegt.

  • Es wird per Hand der Startimpuls gegeben.

  • Der Start soll nur möglich sein, wenn Zylinder 1 eingefahren ist.

  • Das Werkstück wird von Zylinder 1 gespannt.

  • Der nächste Bearbeitungsschritt erfolgt durch Zylinder 2 und 3.

  • Zylinder 2 fährt aus und verharrt 15 Sekunden, während Zylinder 3 nach dem Bearbeitungsvorgang wieder einfährt.

02. Welcher Unterschied besteht zwischen verbindungsprogrammierten und speicherprogrammierten Steuerungen?

• Bei der verbindungsprogrammierten Steuerung (VPS)

  ist der Programmablauf durch fest miteinander verbundene Schaltelemente vorgegeben. Zum Beispiel erfolgt dies bei einer Relaissteuerung durch die Art der Verdrahtung. Will man den Programmablauf ändern, muss die Verdrahtung neu erstellt werden. Nachteil bei der VPS ist der erhebliche Änderungsaufwand bei neuen Programmabläufen.

  Beispiel

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  • Relaissteuerungen

  • Schützsteuerungen

  • pneumatische Steuerungen.

• Bei der speicherprogrammierten Steuerung (SPS)

  wird der Programmablauf in einem Softwareprogramm festgelegt. Die Verdrahtung der Bauteile ist steuerungsunabhängig. Änderungen in der Steuerungslogik können ohne großen Aufwand durch Programmänderungen durchgeführt werden.

03. Welche Vor- und Nachteile hat die SPS gegenüber der VPS?

04. Welche Einsatzgebiete gibt es für SPS?

Hauptaufgabe der SPS ist die Steuerung, Verriegelung und Verknüpfung von Maschinenfunktionen. Die SPS wird überall dort eingesetzt, wo im Rahmen der Automatisierung Fertigungsprozesse gesteuert, überwacht und beeinflusst werden sollen.

05. Aus welchen Funktionseinheiten besteht eine SPS?

1. Die Spannungsversorgung der elektronischen Baugruppen erfolgt über ein Netzgerät.

2. Die Zentraleinheit (CPU) der SPS verarbeitet die Eingangssignale nach Vorgabe der Programmanweisung. Sie enthält folgende Speicher:

   1. Den Systemspeicher für die Arbeitsweise der SPS (Betriebssystem)

      • als ROM-Speicher (Read Only Memory): Festwertspeicher, dessen Inhalt nur gelesen werden kann und unveränderbar ist;

      oder

      • als EPROM-Speicher (Electrically Programmable Read Only Memory) bzw. EEPROM-Speicher (Electrically Erassable Programmable Read Only Memory); dies sind elektronische Nur-Lese-Speicher. Sie benötigen keine Stromversorgung. Die Daten von EPROM-Speichern können durch Bestrahlen mit UV-Licht, die von EEPROM durch elektrische Impulse gelöscht werden.

   2. Der Programmspeicher als RAM-Speicher (Random Access Memory) ist ein Schreib-Lese-Speicher, der die Anweisungen für den steuerungstechnischen Ablauf enthält. Er kann programmiert, geändert und gelöscht werden und muss mit Strom versorgt werden. Wird die Stromversorgung unterbrochen, gehen die gespeicherten Daten verloren. Man vermeidet dies durch den Einbau einer Pufferbatterie.

   3. Der Zwischenspeicher ist ebenfalls ein RAM-Speicher, der Merkerfunktionen und Verknüpfungsergebnisse enthält.

3. Die Eingabegruppe nimmt Signale auf, die Ausgabegruppe gibt Signale an Stellgeräte ab.

4. Über das Programmiergerät können Anweisungen in einer bestimmten Programmiersprache (vgl. unten) eingegeben werden. Ein Kompiler (Übersetzer) wandelt das Anwenderprogramm in die Maschinensprache um.

Die einfachsten SPS mit nur wenigen Ein-/Ausgängen werden als Steckkarten in einen Rechner (z. B. PC-Bus) eingesteckt. Für kleine Steuerungsaufgaben werden alle vier Baugruppen aus Kostengründen in einem gemeinsamen Gehäuse in Form einer Kompakt-SPS untergebracht. Kompakt-SPS werden immer leistungsfähiger, sind vernetzbar, über Bus-Systeme programmierbar und können erweitert werden.

06. Welche Programmierarten (-sprachen) gibt es?

Nach IEC 61131 gibt es fünf genormte Programmiersprachen:

In der einfachen Ausbaustufe ist die SPS nur für logische Operationen programmierbar. Derartige Operationen basieren auf Einbitinformationen (Binärzahlen: 0 oder 1). Das Programm der SPS besteht aus einer Folge von Steueranweisungen, die der Prozessor in der vorgegebenen Reihenfolge abarbeitet.

07. Wie erfolgt die AWL-Programmierung?

Die AWL-Programmierung bedient sich einer Textsprache. Eine Steueranweisung hat zwei Bestandteile:

08. Wie erfolgt die FUP-Programmierung?

Der Funktionsplan (FUP) stellt Steuerungsabläufe mithilfe genormter Symbole dar. Die Programmierung ist einfach und übersichtlich (DIN 40 719).

Es werden zum Beispiel folgende Symbole verwendet:

	Basiselement
	Basiselement + Funktionssymbol
	UND-Verknüpfung: Das Ausgangssignal A nimmt den Wert 1 an, wenn beide Eingänge den Zustand 1 zeigen.
	ODER-Verknüpfung: Das Ausgangssignal nimmt den Wert 1 an, wenn mindestens einer der Eingänge den Zustand 1 zeigt.

Vgl. ausführlich zur Symbolik des FUP: Friedrich Tabellenbuch, a. a. O., S. 9 – 9.

09. Welche Aufgabe haben Funktionsdiagramme (FUP)?

Funktionsdiagramme (veraltet) zeigen grafisch den zeitlichen und funktionellen Ablauf der Steuerung (Schrittfolge). Damit können Zustände und Zustandsänderungen von Anlagen verdeutlicht werden.

Übungsaufgabe: Elektropneumatische Steuerung (mit Ablaufbeschreibung nach Grafcet)

Von einem Rollengang ankommende Paletten werden von einem Pneumatikzylinder 1A1 angehoben und von einem zweiten Pneumatikzylinder 2A1 in eine andere Ebene weiter geschoben.

Zylinder 1A1 darf erst einfahren, wenn Zylinder 2A1 die hintere (2S2) Endlage erreicht hat. Das Startsignal nach Ablauf eines Zyklus wird durch die jeweils neu ankommende Palette über 1S3 ausgelöst. Die Position des Zylinders 1A1 wird durch die Endschalter 1S1 (eingefahren) und 1S2 (ausgefahren) überwacht. Ebenso die Position des Zylinders 2A1 durch die Endschalter 2S1 (eingefahren) und 2S2 (ausgefahren). Es ist die Ablaufbeschreibung nach Grafcet darzustellen.

Lösung:

10. Wie erfolgt die KOP-Programmierung?

Der Kontaktplan (KOP) hat Ähnlichkeit mit dem Stromlaufplan. Die Ablaufschritte werden von links nach rechts dargestellt. Es wurden nach der DIN EN 61131 neue Symbole eingeführt. Nachfolgend ist eine Auswahl dieser Symbole dargestellt (vgl. ausführlich in den Tabellenwerken, z. B. Friedrich Tabellenbuch, a. a. O., S. 9 – 25):

Symbol	Bedeutung
	Eingangssignal ohne Negierung
	Eingangssignal mit Negierung
	Ausgang
	UND-Verknüpfung
	ODER-Verknüpfung

Beispiel

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11. Welche Funktion hat ein Optokoppler in der SPS?

Der Optokoppler ist ein zusätzliches Bauelement in der SPS. Er ist ein Wandler zwischen den optischen und elektrischen Signalen. Seine Aufgabe ist die Absicherung der Eingänge gegen zu hohe Eingangsspannungen.

12. Warum verwendet man Merker bei der Programmierung einer SPS?

Merker sind Operanden in einem Programm, in denen Informationen abgelegt sind. Sie vereinfachen die Programmierung (vgl. 06. AWL-Programmierung).

13. Was ist die Zykluszeit einer SPS?

Das Programm einer SPS wird vom Prozessor in einer sich permanent wiederholenden Schleife vom Zyklusanfang bis zum Zyklusende bearbeitet. In jeder Schleife erfolgen durch den Prozessor drei Arbeitsschritte:

1. Abfragen der Eingänge

2. Verarbeitung der Eingangssignale entsprechend dem Programm

3. Belegung der Ausgänge.

Die Zykluszeit ist die Dauer, die der Prozessor benötigt, um die Bearbeitungsschleife einmal zu durchlaufen. Sie ist abhängig von der Anzahl der Befehle sowie der Arbeitsgeschwindigkeit des Prozessors und liegt im ms-Bereich.