Serie: Steuerungen

Die SPS als Bindeglied zwischen der Feld- und Managementebene - Trends und Chancen

01.04.2008 | Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Matthias Seitz / Ute Drescher

Die entscheidende Rolle bei zukünftigen Steuerungen wird die einheitliche Programmierung spielen. Sie wird nicht nur dem Anwender das Programmieren seiner Prozesse erleichtern, sondern auch die Kommunikation zwischen den Hardwarekomponenten offener und einfacher gestalten - von der Feld- bis in die Managementebene.

Die Entwicklung der Steuerungstechnik ist derzeit geprägt durch einen Wandel. In den letzten Jahren entstand eine enorme Produktvielfalt, mit der maßgeschneiderte Steuerungslösungen für die unterschiedlichsten Anwendungen geschaffen wurden.

So gibt es beispielsweise in der Automobilfertigung neben Robotersteuerungen, Bilderkennungssystemen und speziellen CNC-Steuerungen für die Werkstückbearbeitung auch dezentral gesteuerte intelligente Antriebe sowie zahlreiche SPSen und PCs zur Steuerung und Koordination der Fertigungseinheiten.

Viele dieser Systeme erfordern eigene Programmiersprachen, haben spezielle Schnittstellen und ihre eigene Anzeige- und Bedienkomponente. Der damit verbundene Aufwand für Systemintegration, Schulung und Instandhaltung hat zu einer Trendwende geführt. Zahlreiche Hersteller bieten zwar weiterhin vielfältige, skalierbare Hardware jedoch mit einem einheitlichen Programmiersystem nach IEC 61131, integrierter Visualisierung und standardisierten Schnittstellen an [1].

Heute realisiert die SPS-Software die Funktionen

Betrachtet man die Entwicklung Speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPSen) der letzten 30 Jahre, so lässt sich beobachten, dass immer mehr Funktionen durch Software statt durch Hardware realisiert wurden. Beispielweise erreichte man durch den Einsatz von SPSen anstatt verbindungsprogrammierter Relaisteuerungen in den 70-er Jahren eine enorme Flexibilisierung der Steuerungen.

In der Folgezeit wuchsen die Fähigkeiten der SPSen mit den Anforderungen des Marktes in Hinblick auf Mehrprozessorsysteme, Erweiterung des Funktionsumfangs durch Tabellen-, Analogwertverarbeitung, Regelungen etc. Die automatisierten Anlagen wurden immer komplexer.

Dies erforderte es, die SPS-Programmierung zu normen mit dem Ziel, herstellerunabhängige Programmiersprachen zu definieren und so den erheblichen Engineering- und Instandhaltungsaufwand der Software zu reduzieren [2].

Durch die Entwicklung der Netzwerktechnik (Feldbusse, Ethernet und Internet) können heutzutage nicht nur die verschiedenen Automatisierungssysteme sondern auch betriebswirtschaftliche Planungssysteme miteinander vernetzt werden und Daten austauschen (Bild 1).

Die SPS als Bindeglied zwischen Feld, Management und Qualitätssicherung

Die SPS ist dabei das Bindeglied, das wie die Wurzel eines Baumes die Prozessinformation von den Sensoren und Aktoren in der Fabrik aufnimmt und diese andererseits an übergeordnete Managementsysteme zur Ressourcen- und Fertigungsplanung sowie zur Qualitätssicherung und Instandhaltung zur Verfügung stellt. Busfähige intelligente Sensoren und Aktoren ermöglichen nicht nur die schnelle Kommunikation mit den SPSen, sondern erlauben auch die dezentrale Abarbeitung von Teilen der Steuerungssoftware im Mikroprozessor des Feldgeräts.

Durch die Attraktivität leistungsstarker und kostengünstiger PC-basierter Steuerungen zielen die aktuellen Trends der Steuerungstechnik in Richtung einer plattformunabhängigen Programmierung. Unter dem Dach der IEC 61131 [2] wachsen klassische Automatisierungsaufgaben der numerischen und binären Steuerung und Regelung sowie die Prozessbedienung und –beobachtung zusammen.

PAC soll bisher getrennte Systeme zusammenführen

Was bisher in getrennten Systemen programmiert und implementiert war, soll zukünftig in einem einheitlichen Automatisierungssystem PAC (Programmable Automation Controller) zusammengefasst werden [3]. Damit könnten dann z.B. die Ablaufsteuerung zum robotergestützten Einsetzen der Frontscheibe in eine Autokarosserie zusammen mit den Bewegungsfunktionen des Roboters und den Algorithmen zur Bilderkennung in einem System geplant und programmiert werden.

Eine klassische SPS wie in Bild 1 besteht aus einer CPU (Central Processing Unit) zum Ausführen des Programms sowie einem Arbeitsspeicher (RAM) und einer SD-Speicherkarte statt Festplatte. Die Besonderheit einer SPS gegenüber einem PC ist der sehr komfortable Anschluss von Sensoren und Aktoren an die binären und analogen Ein-/Ausgangskarten (BE, BA, AE bzw. AA) durch Einzeldrahtverbindungen (2/4-Leitertechnik).

Die klassische SPS ist heute nur noch eine Variante

Dies ist heutzutage jedoch nur eine Variante. Die Steuerung kann statt in einem speziellen Controller auch als Soft-SPS in einem Industrie-PC oder dezentral im Mikroprozessor eines Antriebs ablaufen. Diese antriebsbasierten Lösungen ermöglichen kurze Abtastzeiten und eignen sich deshalb besonders für schnelle Positions- und Drehzahlregelungen, wie sie zur Fertigung von Werkstücken oder für schnelle Roboterbewegungen benötigt werden.

Für die vom Anwender häufig zu leistende Systemintegration der Steuerungskomponenten sind homogene Netzwerkstrukturen vorteilhaft. Hierbei hat sich das Ethernet als Standardbussystem durchgesetzt, das derzeit durch die Variante Industrial Ethernet bis ins Feld fortgesetzt wird.

Dies ermöglicht es, standardisierte Integrationswerkzeuge wie Gateways, Switches, Hubs und Router zu verwenden. Die in der SPS gesammelten Signale der Feldgeräte werden standardmäßig von einem OPC-Server (Object Linking and Embedding for Process Control) gesammelt und für die sog. OPC-Clients bereitgestellt. Diese Anwendungsprogramme im PC greifen dann auf die Prozessdaten zu, die sie z.B. zum Bedienen und Beobachten oder zur übergeordneten Auswertung, Koordination und Planung benötigen [3].

Ferndiagnose und Anbindung an Fertigungsplanungssysteme

Die hierzu passende und in anderen Bereichen schon weit entwickelte WLAN-Technik erlaubt es, beispielsweise Status- und Störmeldungen von den Feldgeräten auch als SMS oder E-Mail zu versenden. Das Internet bietet hierbei nicht nur die Möglichkeit der Ferndiagnose, sondern über eine sichere VPN-Verbindung kann auch beispielsweise vom Standort A auf die Steuerungssoftware einer Anlage am Standort B zugegriffen werden, ohne selbst vor Ort reisen zu müssen.

Durch eine solch flexible Systemtechnik kann eine vertikale Integration der Steuerungskomponenten mit übergeordneten Ressourcen- und Fertigungsplanungssystemen erreicht werden, um ein durchgängiges Supply Chain Management zu realisieren. Dabei veranlasst ein Kundenauftrag im ERP-System die automatische Planung, wann auf welcher Anlage welche Chargen just in time produziert und welche Einsatzmaterialien hierfür bereitgestellt werden müssen [3].

Diese Disposition aktiviert automatisch die Ablaufsteuerungen in den SPSen und die Rückmeldungen an das MES-System über Belegungszeiten, Produktions- und Verbrauchsmengen, Laufzeiten u.ä. Das Produkt wird somit vom Auftrag über die Herstellung bis zur Versendung vollständig datentechnisch erfasst, so dass Kunde und Produzent jederzeit den Auftrag verfolgen können.

Grafische Programmiersprachen schaffen Transparenz

Die SPS-Programmierung nach IEC 61131 entwickelt sich mehr und mehr zum Standard für die Programmierung von Automatisierungssystemen allgemein. Auch PC-Steuerungen, Mikroprozessoren intelligenter Antriebe, Motion Control Systeme, Prozessleitsysteme bieten die Programmierung nach diesem Standard an, weil es vorteilhaft ist, grafische Programmiersprachen und Textsprachen zu kombinieren.

Dabei wird das Prozessverhalten etwa in Form von Ablaufketten oder Verriegelungslogik wie in Bild 2 grafisch programmiert und dargestellt, so dass auch Anwender ohne Informatikkenntnisse dies nachvollziehen und kleinere Änderungen selbst vornehmen können. Programmtechnische Details wie Algorithmen der Sensordatenauswertung, Regelung, Ansteuerlogik, Betriebsartenlogik werden effizient in Textsprachen programmiert und bleiben für den Anwender im Funktionsbaustein gekapselt und verborgen.

Um auch komplexere Funktionen effizient und transparent einsetzen zu können, hat die PLCopen Standard-Funktionsbausteine für Logik-, Safety- und Motion Anwendungen entwickelt, z.B. für Bewegungssteuerungen mit Interpolation und Lageregelung [2].

Bild 2 zeigt das Beispiel einer Fertigungszelle, in der ein zweigelenkiger SCARA-Roboter Schrauben aus einer Kiste greift und sie in ein Werkstück schraubt, während dies vom Förderband bewegt wird. Die Steuerung erfolgt über eine Schrittkette, die unterlagerte Funktionsbausteine für eine Linear- oder PTP-Bewegung ansteuert, Zielpositionen vorgibt und die erreichten Ist-Positionen überwacht. Die hierbei verwendete Software CoDeSys SoftMotion der Fa. 3S hat eine Visualisierung ebenso integriert wie einen Editor, um die Bahn grafisch oder in Form von CNC-Befehlen vorzugeben [5].

Denzentral steuern, zentral überwachen

Zusammenfassend kann man sagen, dass Steuerungsaufgaben zunehmend von einer dezentralen, intelligenten Hardware ausführt werden und zentrale Steuerungen eher Aufgaben der Koordination und Überwachung übernehmen. Die Steuerungsaufgaben werden somit zwar verteilt ausgeführt, aber durch eine einheitliche Programmierung und Anzeige- und Bedienoberfläche zentral verwaltet.

Prof. Dr.-Ing. Matthias Seitz: „Die Grenze zwischen den verschiedenen Steuerungstypen verschwindet, während die verbesserte Standardisierung das Programmieren - auch ohne Spezialkenntnisse - erleichtert“
Prof. Dr.-Ing. Matthias Seitz: „Die Grenze zwischen den verschiedenen Steuerungstypen verschwindet, während die verbesserte Standardisierung das Programmieren - auch ohne Spezialkenntnisse - erleichtert“

Eine immer wichtigere Rolle spielt dabei der Aspekt der Sicherheit z.B. im Bereich des Arbeitsschutzes. Sicherheitskritische Funktionen wie die Überwachung von Türschutzschaltern oder anderen maschinenspezifischen Funktionen, die früher als Hardware realisiert wurden, werden nun in einer sicherheitsgerichteten SPS realisiert.

Auch diese weitere Facette der Steuerungshardware kann von einem einheitlichen Programmiersystem aus konfiguriert werden. Hierfür wurden spezielle sicherheitsgerichtete Funktionsbausteine entwickelt und standardisiert, die etwa eine diversitäre Verarbeitung und redundante Überwachung der Kommunikation im Hintergrund realisieren, ohne dass der Anwender dies bei der Programmierung des Prozessablaufs berücksichtigen muss [2,5].

Auch dieser Aspekt zeigt, dass die Grenzen zwischen den verschiedenen Steuerungstypen immer mehr verschwinden und der Anwender durch die verbesserte Standardisierung der Programmierung weniger spezielle Systemkenntnisse benötigt, um Prozesse programmieren zu können.

Hinzu kommt, dass durch diese Standardisierung auch die Kommunikation zwischen den Hardwarekomponenten offener und einfacher wird. Die Systeme werden dadurch nicht nur benutzerfreundlicher, sondern es ergibt sich auch eine enorme Kostenersparnis infolge des reduzierten Aufwands für Programmierung, Schulung, Wartung und Inbetriebnahme.

*Prof. Dr.-Ing. Matthias Seitz vertritt das Fachgebiet Elektronische Steuerungstechnik am Institut für Automatisierungssysteme der Hochschule Mannheim.

 

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