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Die Rolle von SPS in der industriellen Steuer-, Test- und Messtechnik

Von Jody Muelaner

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind Industriecomputer, die:

  • industrielle Automatisierungsanwendungen überwachen und steuern
  • Aufgaben im Zusammenhang mit Prüf- und Messvorgängen ausführen
  • prozessähnliche Funktionen ausführen (einschließlich solcher, die sich auf HLK-Systeme beziehen), die über den Umfang dieses Artikels hinausgehen.

SPSen empfangen Daten von Sensoren und Eingabegeräten, verarbeiten die Daten, um logikbasierte Entscheidungen zu treffen, und geben Steuerungsanweisungen an mechanische oder elektrische Systeme aus. Sie sind eine Art eingebettetes System, das Computerprozessor und Speicher mit Eingabe-/Ausgabekomponenten (IO) kombiniert - ähnlich wie die festverdrahtete relaisbasierte Logik sowie die PC-basierte Logik, mit denen sie konkurrieren.

In Bezug auf die physikalische Form können SPSen heute alles sein, von einem sehr einfachen Computer mit integriertem Chip (IC) bis hin zu einer großen, in einem Rack montierten Ansammlung von Steuerungsunterkomponenten, die in mehreren Chassis untergebracht sind. Einfachere mikrocontrollerbasierte SPSen oder solche in Form von SoC-SPSen (SoC: System-on-Chip) können extrem zuverlässig sein und mit einer sehr bescheidenen Leistungsaufnahme arbeiten. Im Gegensatz dazu verschwimmen bei den komplexesten SPSen die Grenzen zwischen dem, was eine SPS ausmacht, und Allzweckcomputern für industrielle Echtzeitsteuerungen, obwohl bei ersteren immer noch die Zuverlässigkeit und Echtzeitleistung im Vordergrund stehen.

Ursprünglich sollten SPSen direkt die fest verdrahtete Steuerungslogik auf Basis von Relais und Trommelsequenzern ersetzen. Diese frühen SPSen mussten nur grundlegende Operationen durchführen, indem sie Eingaben in Ausgaben umwandelten. Alle Maschinenaufgaben, die eine Proportional-Integral-Differential-Regelung (PID) erforderten, wurden in eine angeschlossene Analogelektronik ausgelagert. Jetzt sind PID-Regelungen und noch anspruchsvollere Operationen ein Standardbestandteil der SPS-Befehlssätze.

Tatsächlich haben sich die Funktionen, die von SPSen erwartet werden, im Laufe der Zeit erweitert - so dass viele SPSen heute recht anspruchsvoll sind und komplizierte und adaptive Routinen ausführen können. Die ständig steigende Leistung und die schrumpfende Größe von Halbleiterchips (dank des Mooreschen Gesetzes) haben eine nie dagewesene Intelligenz von kleineren Controllern ermöglicht. Dieser Trend setzt sich mit der integrierten Unterstützung von Motorsteuerung, Bildverarbeitungssystemen und Kommunikationsprotokollen fort. Am anderen Ende des SPS-Größenspektrums integrieren einige programmierbare Automatisierungssteuerungen (PACs) eine SPS mit einem PC, um SPSen und proprietäre Steuerungssysteme (die mit proprietären Programmiersprachen laufen) für bestimmte Anwendungen zu ersetzen. Immer mehr SPSen werden heute auch in Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) integriert.

Die industrielle digitale Umgebung, in der SPSen arbeiten

Die industrielle Automatisierung beruht heute auf Maschinenrückmeldungen und Betriebsdaten sowie auf komplexen Verbindungen zwischen digitalen Geräten, um:

  • digitale Geräte zu steuern.
  • fortschrittliche Funktionen auszuführen - zum Beispiel in Bezug auf IIoT-Konnektivität und Rekonfigurierbarkeit von Maschinen.
  • menschliche Entscheidungen über verschiedene Maschinen- und Betriebszustände zu ermöglichen.
  • die Gesamtproduktivität und die Werkstückqualität zu verbessern.

Solche automatisierten Installationen umfassen unterschiedliche Informationssysteme, die diese Daten speichern, verarbeiten und bereitstellen.

Materialbedarfsplanungs- oder Fertigungsressourcenplanungssysteme (MRP) bieten Produktionsplanung, Terminplanung, Finanz- und Bestandskontrolle. Im Gegensatz dazu speichern Historiensysteme Zeitreihendaten von Sensoren und Instrumenten zur grafischen Darstellung, um Bedienern und Managementsystemen zu helfen, Automatisierungstrends zu verstehen und zu verarbeiten. Die statistische Prozesskontrolle (SPC) ist eine historische Anwendung.

Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) sind Maschinenbedienfelder (oder Module, die sich drahtlos mit mobilen Geräten verbinden), mit denen menschliche Bediener Daten anzeigen und Befehle erteilen können. Eng verwandt mit den HMI-Funktionen sind Überwachungs-, Steuerungs- und Datenerfassungssysteme (SCADA), die eine Echtzeitsteuerung und Überwachung der Interaktionen zwischen automatisierten Maschinen mit ihren HMIs und Historien ermöglichen. Mit SCADA kann eine HMI mehrere Maschinen steuern und Daten zu mehreren Geräten anzeigen.

Produktionssteuerungssysteme (MES) beinhalten Funktionen wie Arbeitsvorbereitung und Datenerfassung. In gewisser Weise kann es als Zwischenschritt und Überschneidung mit MRP und SCADA gesehen werden.

Systeme für die Unternehmensressourcenplanung (ERP) integrieren fertigungsbezogene MRP-, MES-, Produktlebenszyklusmanagement(PLM)- und CRM-Informationssysteme. ERP-Systeme können monolithische Software-Suiten sein, die all diese Funktionen abwickeln oder ein Kern-ERP-System, das Schnittstellen zu spezialisierten Anwendungen von mehreren Anbietern hat. Typischerweise interagiert nur die oberste Führungsebene mit dem ERP - und die meisten Mitarbeiter in einer bestimmten Organisation interagieren mit einem der Komponentensysteme, die in das ERP einfließen.

SPSen arbeiten typischerweise auf einer Ebene unterhalb dieser Informationssysteme. Sie senden und empfangen Informationen zu und von Maschinen, Motoren und Sensoren. Sie können auch mit der darüber liegenden Informationsebene interagieren, indem sie Daten an das Historien-, oder das SCADA-System senden oder Steuereingaben von der SCADA oder HMI empfangen. Anspruchsvollere SPSen können auch SCADA- und Historienfunktionen übernehmen und in immer mehr Fällen sogar HMI-Funktionen.

Diagramm: SPSen arbeiten typischerweise auf einer Ebene unterhalb der Informationssysteme der AutomatisierungAbbildung 1: SPSen arbeiten typischerweise auf einer Ebene unterhalb der Informationssysteme der Automatisierung. (Bildquelle: Jody Muelaner)

Beachten Sie, dass SPSen nicht nur in der Automatisierung eingesetzt werden: Sie werden auch für die Steuerung von Prüfständen (Produktentwicklung) und Labor-Messaufgaben eingesetzt.

  • Wie oben beschrieben, legt die Automatisierung im Allgemeinen Wert auf die Diagnose und erfordert einen deterministischen Echtzeitbetrieb von der SPS, um wirklich effektiv zu sein.
  • Im Gegensatz dazu legen SPSen, die für Messaufgaben eingesetzt werden, mehr Wert auf eine schnelle und präzise Ausführung der Messwerterfassung und anderer Formen der Datenerfassung.

Für Aufgaben der Maschinenautomatisierung setzen SPSen auf Echtzeitverarbeitung, bei der die Verzögerung zwischen einer Eingabe und der Reaktionsausgabe in Millisekunden gemessen wird. Ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) ist für alle außer den einfachsten SPS-Funktionen erforderlich. Während viele SPSen noch proprietäre Betriebssysteme verwenden, besteht ein zunehmendes Interesse an quellenoffenen Standard-Betriebssystemen. Ein typisches Beispiel: VxWorks ist ein proprietäres RTOS, das für den Einsatz in industriellen Steuerungen weithin lizenziert ist. Es wird von mehreren führenden Roboterherstellern wie Kuka und ABB eingesetzt. Eine Open-Source-Variante ist FreeRTOS, das unter einer MIT-Open-Source-Lizenz frei verteilt wird. FreeRTOS enthält verschiedene IoT-Bibliotheken (IoT: Internet der Dinge) für eine breite Palette von automatisierten Anwendungen. Lesen Sie mehr über diese Option in dem Digi-Key-Artikel Schnelles und sicheres Verbinden von Designs mit der Cloud über Amazon FreeRTOS.

Für Aufgaben der Maschinenautomatisierung setzen SPSen auf Echtzeitverarbeitung, bei der die Verzögerung zwischen einer Eingabe und der Reaktionsausgabe in Millisekunden gemessen wird. Vorbei sind die Zeiten, in denen Ingenieure keine andere Wahl hatten, als Schnittstellenwandler und Systeme von Übertragungskanälen einzusetzen. Jetzt bieten intelligente Peripheriegeräte und I/O-Baugruppen eine erweiterte und vereinfachte Signalerfassung über digitale und analoge Eingänge.

Die Ingenieure von heute haben auch mehr Möglichkeiten aufgrund standardisierter Schnittstellen und herstellerübergreifender Kompatibilität von Komponenten, die als interoperable Komponenten dienen können.

Denken Sie nur an I/O-Komponenten mit integrierter SPS-Funktionalität. Diese sind mit konfigurierbaren HMIs kompatibel, die mit Windows- oder Linux-Betriebssystemen laufen und über Ethernet-Konnektivität verfügen - es fehlen jedoch einfache Rekalibrierungsoptionen oder analoge I/O für Feldgeräte, die analoge Niederspannungssignale erzeugen. Solche I/O-Komponenten arbeiten auch mit SPSen, die so eingerichtet sind, dass sie Daten von dezentralen I/O-Geräten sammeln und direkt von Sensoren über ihre eigenen Onboard-I/Os.

Bild: LabJack T7 - Multifunktions-Datenerfassungsgeräte (DAQs)Abbildung 2: T7-Multifunktions-Datenerfassungsgeräte (DAQs) verfügen über Ethernet-, USB-, WLAN- und Modbus-Anschlüsse, um mit einer Vielzahl von Feldgeräten sowie industriellen HMIs und SPSen zu arbeiten. Insbesondere die Modbus/TCP-Konnektivität ermöglicht die Steuerung über verschiedene Software- und Hardware-Optionen von Drittanbietern und sorgt so für Offenheit und Flexibilität - was wiederum Architekten von Industriesystemen sowie Forschungs- und Entwicklungsingenieuren (F&E) eine herstellerneutrale Auswahl für ihre Datenerfassungs- und Automatisierungsanwendungen bietet. (Bildquelle: LabJack)

Natürlich sind SPSen nicht die einzige Option für die Maschinenautomatisierung oder die Prüf- und Messtechnik. Da alle industriellen Steuerungen komplexer geworden sind, sind einige Hersteller dazu übergegangen, bestimmte Hardware als programmierbare Automatisierungssteuerungen (PACs) zu bezeichnen, um erweiterte Fähigkeiten zu kennzeichnen und in vielen Fällen mehrere Prozessoren auf einem einzigen Stück Hardware. In der Realität haben sich auch die SPSen immer weiter entwickelt - es gibt also keine feste Regel, wann eine Hardware, die SPS-Funktionen ausführt, eine PAC darstellt. Die meisten PACs integrieren SPS- und PC-Aspekte und dienen als komplexe Automatisierungssysteme mit mehreren PC-basierten Anwendungen sowie einer HMI und einem Historiensystem. Ein klarer Unterschied ist, dass PACs für Entwickler einfacher zu verwenden sind, da PACs eine offenere Architektur haben als traditionelle Steuerungen.

Eine weitere Möglichkeit sind heute modulare SPSen. Diese bestehen aus Modulen, die unterschiedliche Funktionen ausführen. Alle SPSen müssen ein CPU-Modul enthalten, das den Prozessor und den Speicher für das Betriebssystem und das Programm beinhaltet. Es kann ein separates Stromversorgungsmodul und zusätzliche Ein-/Ausgangsmodule (I/O) vorhanden sein. Eine SPS kann sowohl digitale als auch analoge I/O-Module enthalten. Ein weiteres Modul kann für die Netzwerkkommunikation erforderlich sein.

Die SPS kann entweder integriert - mit allen Modulen in einem einzigen Gehäuse - oder modular sein. Integrierte SPSen sind kompakter, aber modulare SPSen sind vielseitiger. In der Regel können mehrere Module einfach miteinander verbunden werden, entweder durch direktes Aneinanderstecken oder durch Verwendung eines gemeinsamen Racks als Bus. Module werden entsprechend ihrer Position am Bus adressiert. Obwohl der physikalische Aspekt des Racks einem Standard wie z. B. DIN entsprechen kann, ist der Datenbus typischerweise proprietär für den SPS-Hersteller.

Die Rolle von SPSen im IoT

Mit dem wachsenden Interesse an Industrie 4.0 (auch IIoT genannt) erwarten industrielle Anwender zunehmend die Möglichkeit, ihre industriellen Steuerungen über Internetprotokolle an Firmennetzwerke anzubinden. Damit ist die Kommunikation über das Transmission-Control-Protocol (TCP) und das Internet-Protocol (IP) oder einfach TCP/IP gemeint. Beim IIoT-Trend geht es jedoch nicht nur um die Verwendung von Internetprotokollen, es geht auch um maschinelles Lernen und Big Data. Da SPSen immer leistungsfähiger werden (und fortschrittlichere Steuerungen die SPS-Funktionen zu einem Merkmal machen), werden immer mehr Host-Funktionen wie z. B. Bildverarbeitungssysteme eingesetzt. Die Internetkonnektivität ermöglicht es Ingenieuren (über System-SPSen) auch, Cloud-basierte Algorithmen für die Verarbeitung extrem großer Datensätze - auch Big Data genannt - für maschinelles Lernen zu nutzen.

In der praktischen Anwendung zeichnet sich Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) für solche IIoT-SPS-Funktionalität aus. Dabei handelt es sich um ein Kommunikationsprotokoll auf Ethernet-Basis, das für Echtzeit-Steuerungsanwendungen mit Zykluszeiten von weniger als 0,1 ms geeignet ist - die schnellste industrielle Ethernet-Technologie mit der Fähigkeit zur Synchronisierung mit Nanosekunden-Genauigkeit. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die Flexibilität der EtherCAT-Netztopologie, die ohne Netzwerk-Hubs und Switches auskommt. Geräte können einfach in einer Ring-, Linien-, Stern- oder Baumkonfiguration miteinander verkettet werden. PROFINET ist ein konkurrierender Standard, der ähnliche Möglichkeiten bietet.

Fazit

Der aktuelle Trend zu immer ausgefeilterer Datenerfassung und industrieller Steuerung wird sich fortsetzen. Das bedeutet, dass SPSen für die Industrieautomation und die Mess- und Prüftechnik zunehmend PACs ähneln werden und sich mit SCADA- und Historiensystemen integrieren lassen. Internetprotokolle und offene Standards wie EtherCAT werden auch für die SPS-Kommunikation immer häufiger eingesetzt. Diese Konnektivität wird wiederum den verstärkten Einsatz von Industrie-4.0-Technologien wie Big Data Analytics und maschinelles Lernen vorantreiben, was zum Teil durch die Möglichkeit erleichtert wird, die benötigte Rechenleistung und den Speicher zu verteilen:

  • Cloudbasierte Datenverarbeitung
  • Geräte am Netzwerkrand, die zur Datenverarbeitung geeignet sind

Neben diesen Trends wird es auch weiterhin einen Bedarf an traditionelleren SPSen geben, die relativ einfache Test- und Mess- sowie Steuerungsfunktionen mit maximaler Zuverlässigkeit und Energieeffizienz ausführen.

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Über den Autor

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner is an engineer who has designed sawmills and medical devices; addressed uncertainty in aerospace manufacturing systems; and created innovative laser instruments. He has published in numerous peer-reviewed journals and government summaries … and has written technical reports for Rolls-Royce, SAE International, and Airbus. He currently leads a project to develop a e-bike detailed at betterbicycles.org. Muelaner also covers developments related to decarbonization technologies.

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