Aufbau einer SPS (PAE, CPU und PAA)
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© 2004, Thomas Barmetler Automatisierungstechnik – Aufbau und Arbeitsweise einer SPS Aufbau einer SPS Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Kleinsteuergeräte Beispiele Einsatzgebiete „EASY“ von Glöckner Möller “LOGO!“ von Siemens “Pharao“ von Theben „S5“ bzw. „S7“ von Siemens • Haus-Installationsbereich (z. B. • • Maschinen und Apparatebau (z. B. • Programmierung Steuerungen im industriellen/gewerblichen Umfeld (z. B. • • • • Versorgungsspannung abhängig von Netzteil • • Eingänge abhängig von Erweiterungen • Ausgänge abhängig von Erweiterungen Kenngrößen • • • Logische Grundfunktionen (AND, OR, NOT, ...) • Praktisch alle Arten von logischen Verknüpfungen • Evtl. AnalogsignalVerarbeitung (Komparator, Schwellwertschalter) • Diverse Speicherbausteine • Vielzahl vordefinierter Zeitund Sonderfunktionen Einige Sonderfunktionen (Ansprech-/Rückfallverzögerung, Zähler, Stromstoßrelais, Taktgeber, ...) • Spezialfunktionen können programmiert werden Funktionsumfang • 1 © 2004, Thomas Barmetler Automatisierungstechnik – Aufbau und Arbeitsweise einer SPS Der Einfachheit halber sollen auch Kleinsteuergeräte im folgenden mit der Bezeichnung SPS eingeschlossen werden. Der Aufbau einer Steuerung/Regelung mit einer SPS folgt stets dem EVA-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe). Bauteile, die Eingangssignale liefern werden stets als Sensoren bezeichnet, während Stellglieder, welche das Ausgangssignal des SPSModuls in eine Aktion umsetzten Aktoren genannt werden. Beispiele für Sensoren: • • • • Beispiele für Aktoren: • • • • • Die eigentliche SPS wird häufig auch als Automatisierungssystem bezeichnet. Dazu zählen dann: • • • • 2 © 2004, Thomas Barmetler Automatisierungstechnik – Aufbau und Arbeitsweise einer SPS Arbeitsweise einer SPS Egal ob das Programm einer SPS mit Hilfe der auf dem Gerät vorhandenen Tasten und dem zugehörigen Display, oder mit einem externen Programmiergerät eingegeben wurde, letztendlich stehen die Anweisungen zur Verarbeitung der Eingangssignale stets als einzelne, nacheinander abzuarbeitende Befehle im Speicher der SPS. Arbeitsweise: 1. Nach dem ersten Neustart werden alle Ausgänge, Zeitglieder, Zähler und Merker auf Null gesetzt. 2. Nun werden die aktuellen Signalzustände an den Eingänge eingelesen und als Prozessabbild der Eingänge in einem besonderen Speicher abgelegt. 3. Das Steuerprogramm wird nun Anweisung für Anweisung abgearbeitet. Dabei greift die SPS jedoch nicht mehr auf die Eingänge selbst, sondern nur noch auf das PAE zu. Soll im Laufe des Programms ein Ausgang verändert werden, so erfolgt dies zunächst in einem besonderen Speicherbereich, dem Prozessabbild der Ausgänge (PAA). 4. Erst nach der letzten Anweisung werden die Zustände aus dem PAA an die eigentlichen Ausgänge weiter gegeben. 5. Nun wiederholt sich der Vorgang ab Punkt 2. Es werden erneut die Eingänge in das PAE gelesen, usw. Weil sich dieser Ablauf stets wiederholt nennt man ihn eine zyklische1 Programmbearbeitung. Ändert sich der Signalzustand eines Eingangs während eins Programmzyklus, so wird dies erst bemerkt wenn das nächste Mal das PAE gebildet wird. Dadurch entstehen bei der SPS Reaktionszeiten, die im ungünstigsten Fall zweimal so lang wie die Zykluszeit sein können. Die Zykluszeit ist abhängig von der Länge des Programms, z. B. 8 ms pro 1000 Anweisungen. 1 Zyklus (griech.): Kreislauf 3 © 2004, Thomas Barmetler Automatisierungstechnik – Aufbau und Arbeitsweise einer SPS Aufbau einer SPS Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Kleinsteuergeräte Beispiele Einsatzgebiete Programmierung „EASY“ von Glöckner Möller “LOGO!“ von Siemens “Pharao“ von Theben „S5“ bzw. „S7“ von Siemens • Haus-Installationsbereich (z. B. Beleuchtungen, Rollläden, Toren, Klimasteuerungen für Wintergärten) • • Maschinen und Apparatebau (z. B. Steuerungen von Kleinmaschinen, Lüftungsanlagen, Brauchwasserpumpen) Steuerungen im industriellen/gewerblichen Umfeld (z. B. Autowaschanlagen, Förder-, Verpackungs- und Abfüllanlagen, Pressen) • Tastenfeld • • PC mit Programmierprogramm PC mit Programmierprogramm • Versorgungsspannung (12V/24V DC, 230V AC) • Versorgungsspannung abhängig von Netzteil • Eingänge (6 bis 24 Schalteingänge und evtl. einige analoge) • Eingänge abhängig von Erweiterungen • • Ausgänge (4 bis 12 mit Schalttransistoren oder Relais) Ausgänge abhängig von Erweiterungen • Eingesetzte CPU Kenngrößen • Logische Grundfunktionen (AND, OR, NOT, ...) • Praktisch alle Arten von logischen Verknüpfungen • Evtl. AnalogsignalVerarbeitung (Komparator, Schwellwertschalter) • Diverse Speicherbausteine • Vielzahl vordefinierter Zeitund Sonderfunktionen Einige Sonderfunktionen (Ansprech-/Rückfallverzögerung, Zähler, Stromstoßrelais, Taktgeber, ...) • Spezialfunktionen können programmiert werden Funktionsumfang • 4 © 2004, Thomas Barmetler Automatisierungstechnik – Aufbau und Arbeitsweise einer SPS Der Einfachheit halber sollen auch Kleinsteuergeräte im folgenden mit der Bezeichnung SPS eingeschlossen werden. Der Aufbau einer Steuerung/Regelung mit einer SPS folgt stets dem EVA-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe). Bauteile, die Eingangssignale liefern werden stets als Sensoren bezeichnet, während Stellglieder, welche das Ausgangssignal des SPSModuls in eine Aktion umsetzten Aktoren genannt werden. Beispiele für Sensoren: • Schalter • Taster • Fotodioden • Fühler (Temperatur, Helligkeit, Füllstand, ...) Beispiele für Aktoren: • Relais • Transistor • Ventil • Leuchtmittel • Anzeigetafeln Die eigentliche SPS wird häufig auch als Automatisierungssystem bezeichnet. Dazu zählen dann: • Stromversorgung • Zentraleinheit (CPU2) • Eingabebaugruppe • Ausgabebaugruppe 2 CPU: Central Procession Unit = zentrale Verarbeitungseinheit 5 © 2004, Thomas Barmetler Automatisierungstechnik – Aufbau und Arbeitsweise einer SPS Arbeitsweise einer SPS Egal ob das Programm einer SPS mit Hilfe der auf dem Gerät vorhandenen Tasten und dem zugehörigen Display, oder mit einem externen Programmiergerät eingegeben wurde, letztendlich stehen die Anweisungen zur Verarbeitung der Eingangssignale stets als einzelne, nacheinander abzuarbeitende Befehle im Speicher der SPS. Arbeitsweise: 1. Nach dem ersten Neustart werden alle Ausgänge, Zeitglieder, Zähler und Merker auf Null gesetzt. 2. Nun werden die aktuellen Signalzustände an den Eingänge eingelesen und als Prozessabbild der Eingänge in einem besonderen Speicher abgelegt. 3. Das Steuerprogramm wird nun Anweisung für Anweisung abgearbeitet. Dabei greift die SPS jedoch nicht mehr auf die Eingänge selbst, sondern nur noch auf das PAE zu. Soll im Laufe des Programms ein Ausgang verändert werden, so erfolgt dies zunächst in einem besonderen Speicherbereich, dem Prozessabbild der Ausgänge (PAA). 4. Erst nach der letzten Anweisung werden die Zustände aus dem PAA an die eigentlichen Ausgänge weiter gegeben. 5. Nun wiederholt sich der Vorgang ab Punkt 2. Es werden erneut die Eingänge in das PAE gelesen, usw. Weil sich dieser Ablauf stets wiederholt nennt man ihn eine zyklische3 Programmbearbeitung. Ändert sich der Signalzustand eines Eingangs während eins Programmzyklus, so wird dies erst bemerkt wenn das nächste Mal das PAE gebildet wird. Dadurch entstehen bei der SPS Reaktionszeiten, die im ungünstigsten Fall zweimal so lang wie die Zykluszeit sein können. Die Zykluszeit ist abhängig von der Länge des Programms, z. B. 8 ms pro 1000 Anweisungen. 3 Zyklus (griech.): Kreislauf 6