Ein SPS-Schaltschrank mag von außen kompliziert aussehen. Im Inneren des Schranks können sich eine CPU, E/A-Module, Klemmen, Relais, Kommunikationsports, HMI und MCC-Anschlüsse befinden.
Aber die Grundidee ist einfach.
Ein SPS-Schaltschrank ermöglicht es einem Teil eines Systems, automatisch entsprechend dem Zustand eines anderen Teils zu reagieren:
- Ein Sensor erkennt einen Zustand.
- Die SPS verarbeitet die Informationen.
- Ein anderes Gerät empfängt den Befehl und führt die Aktion aus.
Dieser Artikel erklärt die Struktur eines SPS-Schaltschranks aus dieser praktischen Sicht: wie Feldsignale in den Schaltschrank gelangen, wie die SPS sie versteht und wie das System diese Signale in eine automatische Steuerung umwandelt.
Warum brauchen wir eine SPS?
Der grundlegende Grund für die Verwendung einer SPS ist einfach:
Eine SPS ermöglicht es einem Teil eines Systems, automatisch entsprechend dem Zustand eines anderen Teils zu reagieren.
Zum Beispiel:
- Wenn der Wasserstand niedrig ist, starten Sie die Pumpe.
- Wenn der Druck zu hoch ist, stoppen Sie den Motor.
- Wenn eine Maschine nicht bereit ist, verhindern Sie den Start der nächsten Maschine.
Ohne eine SPS müssten viele dieser Aktionen manuell oder durch komplizierte Relaisschaltungen ausgeführt werden.
Mit einer SPS kann das System Signale sammeln, Zustände beurteilen und Befehle automatisch senden.
Dies ist der eigentliche Zweck des SPS-Schaltschranks.
Die Komponenten im Inneren des Schranks dienen alle diesem Ziel.
- Eingänge — um zu wissen, was passiert
- CPU / Programm — um zu entscheiden, was passieren soll
- Ausgänge — um etwas zu bewirken
- Kommunikation — um komplexere Informationen auszutauschen
- HMI — damit Personen Einstellungen überwachen oder ändern können
- MCC-Integration — zur Steuerung von Motorleistungsausrüstung
Hauptbestandteile eines SPS-Schaltschranks
Um zu verstehen, wie ein SPS-Schaltschrank funktioniert, ist es hilfreich, die Hauptbestandteile des Systems zu betrachten.
Haupt-SPS-CPU
Die SPS-CPU ist das Gehirn des Schaltschranks.
Sie ähnelt der CPU in einem Laptop oder Computer. Eine Laptop-CPU empfängt Informationen von Tastatur, Maus, Speicher und Software, verarbeitet sie und erzeugt dann ein Ergebnis auf dem Bildschirm oder über ein anderes Gerät.
Eine SPS-CPU funktioniert ähnlich, jedoch für die industrielle Steuerung.
Sie empfängt Eingangsinformationen von Sensoren, Schaltern, Instrumenten, MCC-Abgängen, Frequenzumrichtern (VFDs) und anderen Feldgeräten. Dann verarbeitet sie diese Informationen gemäß dem SPS-Programm. Nach Überprüfung der Logik sendet sie Ausgangsbefehle an Relais, Schütze, Frequenzumrichter, Lampen, Alarme, Ventile oder andere Geräte.
Wenn zum Beispiel ein Füllstandsensor der SPS meldet, dass der Wasserstand niedrig ist, überprüft die CPU die Programmlogik. Wenn das System im Automatikmodus ist, der Leistungsschalter geschlossen ist, kein Fehler vorliegt und die Pumpe laufen darf, sendet die SPS-CPU einen Startbefehl an das MCC oder den Frequenzumrichter.
Die CPU erledigt also drei wichtige Dinge:
- Sie empfängt Informationen aus dem Feld.
- Sie trifft Entscheidungen gemäß dem Programm.
- Sie sendet Befehle, damit das System reagiert.
In einigen kompakten SPS-Systemen können CPU und HMI in dasselbe Gerät integriert sein. In anderen Systemen ist die CPU nur die Steuerung, während die HMI separat an der Schaltschranktür installiert ist.
Für das Schaltschrankdesign ist die CPU wichtig, da sie die Steuerungsplattform, die Programmiersoftware, die Kommunikationsoptionen, die Erweiterungskapazität und die Struktur des gesamten Steuerungssystems bestimmt.
Digitaler E/A-Bereich
Digitale E/A wird für einfache EIN/AUS-Signale verwendet.
Es wird digital genannt, weil das Signal nur zwei Zustände hat:
1 oder 0
EIN oder AUS
Ja oder Nein
Offen oder Geschlossen
Läuft oder Gestoppt
Fehler oder Normal
Mit anderen Worten, digitale E/A beschreibt keinen sich ändernden Wert wie Druck, Temperatur oder Geschwindigkeit. Sie teilt der SPS lediglich mit, ob ein Zustand vorhanden ist oder nicht.
Ein digitaler Eingang ist ein von der SPS empfangenes Signal.
Zum Beispiel kann die SPS diese Signale empfangen:
- Leistungsschalter geschlossen oder offen
- Schütz läuft oder gestoppt
- Überlastauslösung oder normal
- VFD-Fehler oder normal
Diese Signale helfen der SPS, den aktuellen Zustand des Systems zu verstehen.
Ein digitaler Ausgang ist ein von der SPS gesendeter Befehl.
Zum Beispiel kann die SPS diese Befehle senden:
- Motor starten
- Motor stoppen
- Fehler zurücksetzen
- Alarmleuchte einschalten
Digitale E/A ist also die grundlegende Signalsprache zwischen der SPS und den Feldgeräten.
Das Feldgerät teilt der SPS einen Zustand mit 1 oder 0 mit.
Die SPS sendet einen Befehl mit 1 oder 0 zurück.
Analoger E/A-Bereich
Analoge E/A wird für Signale verwendet, die sich kontinuierlich ändern.
Digitale E/A ist einfach: Es ist nur 1 oder 0, EIN oder AUS.
Analoge E/A ist anders. Sie wird verwendet, wenn die SPS einen sich ändernden realen Zustand verstehen muss, wie Temperatur, Druck, Füllstand, Durchfluss, Strom, Spannung oder Geschwindigkeit.
Ein gutes Beispiel ist ein Temperatursensor wie ein RTD oder Thermistor.
Der Sensor selbst „kennt“ die Temperatur nicht wirklich. Er sendet der SPS nicht direkt eine Nachricht mit der Aufschrift „die Temperatur beträgt 60°C“. Stattdessen ändert sich zuerst der physikalische Zustand.
Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich der Widerstand des Sensors. Diese Widerstandsänderung ist ein analoger Zustand. Sie kann sich kontinuierlich bewegen, nicht nur zwischen zwei festen Zuständen.
Das analoge Eingangsmodul misst diese elektrische Änderung. Im Inneren des Moduls wandelt ein A/D-Wandler das analoge Signal in eine digitale Zahl um. Die SPS-CPU empfängt dann diese Zahl und verwendet sie im Steuerungsprogramm.
Einfach ausgedrückt:
Temperaturänderung → Widerstandsänderung → analoge Messung → A/D-Wandlung → digitale Zahl in der SPS
Danach kann das SPS-Programm oder die Modulkonfiguration die Zahl in einen realen technischen Wert skalieren, wie 35°C, 60°C oder 90°C.
Analoger Eingang ist also nicht nur „Temperatur lesen“. Genauer gesagt, wandelt er eine reale physikalische Änderung in eine Zahl um, die die SPS-CPU verstehen kann.
Einfach ausgedrückt:
Analoger Eingang hilft der SPS, sich ändernde reale Bedingungen zu verstehen.
Analoger Ausgang hilft der SPS, Geräte mit variabler Ausgabe zu steuern.
Kommunikationsbereich
Nicht jedes Signal ist fest verdrahtet.
Eine SPS kann über Kommunikation mit Frequenzumrichtern, Energiezählern, Schutzrelais, Remote-E/A-Modulen, Instrumenten, HMI oder SCADA-Systemen kommunizieren.
Gängige Kommunikationsmethoden umfassen Ethernet, RS485, Modbus RTU, Modbus TCP, Profinet, Profibus und andere Industrieprotokolle.
Zum Beispiel kann RS485 für die Kommunikation mit Zählern, Frequenzumrichtern oder Instrumenten verwendet werden.
Kommunikation ist jedoch nicht nur eine Hardwarefrage. Das Protokoll, die Adresse, die Baudrate, die Registerkarte, die Abschirmung und die Terminierung müssen ebenfalls bestätigt werden.
HMI / Bedieneroberfläche
Einige SPS-Systeme verfügen über einen integrierten Bedienerbildschirm. Andere benötigen eine separate HMI, die an der Schaltschranktür installiert ist.
Die HMI ermöglicht es Bedienern, den Systemstatus, Alarme, den Betriebsmodus, den Motorstatus, Sollwerte und Fehlerinformationen anzuzeigen.
Für einen Schaltschrank ist es wichtig zu bestätigen, ob die HMI erforderlich ist, ob sie in die SPS integriert ist und welche Informationen der Bediener sehen oder anpassen muss.
Klemmenblöcke und Feldverdrahtung
Klemmenblöcke sind wie die Anschlüsse eines SPS-Schaltschranks.
Feldsignale werden normalerweise nicht direkt an die SPS-Module angeschlossen. Sie gelangen zuerst über Klemmenblöcke in den Schaltschrank. Von dort verbinden interne Drähte die Signale mit den SPS-Eingängen, -Ausgängen, der Stromversorgung, Relais oder Kommunikationsgeräten.
Klemmenblöcke sind also die Ein- und Ausgangspunkte des Schaltschranks.
Zum Beispiel:
- Sensorsignale gelangen über Klemmenblöcke in den Schaltschrank.
- SPS-Ausgangsbefehle verlassen den Schaltschrank über Klemmenblöcke.
- 24 VDC-Strom kann über Klemmenblöcke verteilt werden.
- Kommunikationskabel können ebenfalls über Klemmenblöcke angeschlossen werden.
Dies macht die Verdrahtung klarer und einfacher zu überprüfen.
Wenn es vor Ort ein Problem gibt, kann der Ingenieur das Signal zuerst am Klemmenblock testen. Dies hilft zu bestätigen, ob das Problem außerhalb des Schranks, innerhalb des Schranks oder innerhalb der SPS liegt.
Für einen SPS-Schaltschrank sollten Klemmenblöcke übersichtlich für digitale Eingänge, digitale Ausgänge, analoge Signale, Kommunikationskabel, Stromversorgung, 0 V Common und Erdung angeordnet sein.
Einfach ausgedrückt:
Klemmenblöcke sind die Verbindungspunkte zwischen dem SPS-Schaltschrank und den externen Feldgeräten.
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SPS- und MCC-Integration
Motoren sind eines der am häufigsten verwendeten Geräte in industriellen Systemen.
Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren, Förderbänder, Mischer, Brecher, Gebläse und viele Produktionsmaschinen werden von Motoren angetrieben. In vielen Fabriken, Wassersystemen, HLK-Systemen und Prozesslinien ist der Motor das Endgerät, das tatsächlich Bewegung erzeugt.
Deshalb sind Motoren eines der häufigsten Geräte, die von einer SPS gesteuert werden.
Wenn wir ein automatisiertes System mit einem menschlichen Körper vergleichen, ist die SPS wie das Gehirn und Nervensystem. Sie empfängt Informationen, verarbeitet Logik und sendet Befehle. Der Motor ist wie die Hand oder der Muskel. Er führt die eigentliche Aktion aus.
Die SPS kann einen Motor jedoch nicht direkt mit Strom versorgen.
Ein Motor benötigt normalerweise hohen Strom, Kurzschlussschutz, Überlastschutz, Anlaufsteuerung und manchmal Drehzahlregelung. Diese Funktionen werden vom MCC oder Motor Control Center übernommen.
Das MCC ist die Leistungs- und Schutzseite der Motorsteuerung. Es kann Folgendes umfassen:
- Leistungsschalter
- Schütze
- Überlastrelais
- Sanftanlaufgeräte
- Frequenzumrichtern (VFDs)
- Motorschutzgeräte
- Leistungsklemmen
- Steuerklemmen
Die SPS ist die Logik- und Signalseite. Sie entscheidet, wann der Motor starten, stoppen, zurückgesetzt werden oder die Drehzahl ändern soll.
Die Beziehung ist also einfach:
Die SPS entscheidet, was passieren soll.
Das MCC führt den Motorleistungsbetrieb sicher aus.
Der Motor führt die eigentliche Arbeit aus.
In einem Pumpsystem kann die SPS beispielsweise ein Signal für niedrigen Wasserstand empfangen. Die SPS überprüft die Logik: Ist das System im Automatikmodus? Ist der Leistungsschalter geschlossen? Liegt keine Überlastauslösung vor? Ist der Frequenzumrichter in Ordnung? Wenn alle Bedingungen erfüllt sind, sendet die SPS einen Startbefehl an das MCC.
Das MCC startet dann den Motor über ein Schütz, einen Sanftanlauf oder einen Frequenzumrichter. Nach dem Start des Motors sendet das MCC Rückmeldesignale an die SPS, wie z. B. Motor läuft, Überlastauslösung, VFD-Fehler oder lokaler / entfernter Status.
Verschiedene SPS-Strukturen, gleicher Steuerungszweck
SPS-Systeme sehen nicht immer gleich aus.
Verschiedene Marken können unterschiedliche CPUs, E/A-Module, Erweiterungsmethoden, Kommunikationsmodule und HMI-Designs verwenden. Einige SPSen sind kompakt und haben CPU, E/A und Bildschirm in einem Gerät integriert. Einige SPSen sind modular aufgebaut, mit separater CPU, digitalen E/A, analogen E/A, Kommunikationsmodulen und HMI.
Die Struktur mag unterschiedlich sein, aber der Zweck ist derselbe:
Bedingungen empfangen, Logik verarbeiten und Befehle senden.
Deshalb geht es bei der SPS-Konfiguration nicht immer darum, den leistungsstärksten Controller zu verwenden. In vielen industriellen Steuerungssystemen ist das Ziel nicht, einen Computer mit der höchsten Leistung einzusetzen. Das Ziel ist, einen Controller zu verwenden, der stabil, kompakt, wartungsfreundlich und ausreichend ist, um die erforderliche Steuerungsfunktion zu erfüllen.
Eine SPS unterscheidet sich von einem normalen Computer.
Ein Computer ist leistungsstark und flexibel, aber nicht immer die beste Wahl für die industrielle Steuerung. Eine SPS ist für industrielle Umgebungen konzipiert. Sie kann einfache Steuerungslogik über lange Zeiträume ausführen, Feldsignale direkt verarbeiten, mit 24-VDC-Steuerkreisen arbeiten, Sensoren und Aktoren anschließen und zuverlässig in einem Schaltschrank betrieben werden.
In vielen realen Projekten muss die SPS keine komplizierten Berechnungen durchführen. Sie muss nur praktische Steuerungsfragen beantworten:
- Ist der Wasserstand niedrig?
- Ist der Motor bereit?
- Ist der Frequenzumrichter in Ordnung?
- Ist das System im Automatikmodus?
- Soll die Pumpe starten?
- Soll der Alarm ausgelöst werden?
- Soll die Ausrüstung zum Schutz stoppen?
Für diese Art von Arbeit ist ein einfaches und robustes SPS-System oft ausreichend.
Dies ist die Philosophie hinter vielen SPS-Schaltschränken:
Ausreichend ist gut. Stabil ist besser als kompliziert.
Die SPS muss nicht überdimensioniert sein, wenn die Steuerungsaufgabe einfach ist. Wichtiger ist, ob die E/A-Punkte ausreichen, die Signaltypen korrekt sind, die Verdrahtung klar ist, die Logik zuverlässig ist und das System viele Jahre lang sicher betrieben werden kann.
Wenn Sie also einen SPS-Schaltschrank betrachten, konzentrieren Sie sich nicht nur auf die Marke oder Modellnummer. Die wichtigere Frage ist:
Kann diese SPS-Struktur die erforderlichen Signale empfangen, die Logik verarbeiten und die Ausrüstung zuverlässig steuern?
Wenn die Antwort ja ist, dann ist die SPS-Konfiguration möglicherweise bereits für das Projekt geeignet.
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Fazit
Einfach ausgedrückt, wandelt ein SPS-Schaltschrank Signale in eine automatische Steuerung um.
Die SPS ist das Gehirn und Nervensystem des Schaltschranks.
Die Feldgeräte liefern Informationen.
Das MCC und die Motoren führen die Aktion aus.
Eine SPS muss nicht das leistungsstärkste Gerät sein. Sie muss stabil, kompakt, robust und ausreichend für die erforderliche Steuerungsfunktion sein.
Für viele industrielle Systeme ist ausreichend gut. Tatsächlich kann dieselbe Idee auf das Leben und die Natur angewendet werden.
FAQ
Was ist der Hauptzweck eines SPS-Schaltschranks?
Der Hauptzweck eines SPS-Schaltschranks ist es, ein System automatisch reagieren zu lassen.
Er empfängt Signale von Feldgeräten, verarbeitet die Logik im SPS-Programm und sendet Befehle an andere Geräte.
Warum eine SPS anstelle einer manuellen Steuerung verwenden?
Manuelle Steuerung hängt von Menschen ab.
Eine SPS kann Signale überwachen und automatisch reagieren. Wenn zum Beispiel der Wasserstand niedrig ist, kann die SPS eine Pumpe starten. Wenn ein Fehler auftritt, kann die SPS Geräte stoppen und einen Alarm auslösen.
Warum wird die SPS-CPU als Gehirn des Schaltschranks bezeichnet?
Die SPS-CPU empfängt Informationen, verarbeitet Logik und sendet Befehle.
Dies ähnelt der Art und Weise, wie ein Gehirn Informationen vom Körper empfängt, Entscheidungen trifft und Anweisungen an die Muskeln sendet.
Was ist digitale E/A in einer SPS?
Digitale E/A wird für einfache EIN/AUS-Signale verwendet.
Sie hat nur zwei Zustände, wie 1 oder 0, läuft oder gestoppt, Fehler oder normal, offen oder geschlossen.
Was ist analoge E/A in einer SPS?
Analoge E/A wird für sich ändernde Werte verwendet.
Sie hilft der SPS, reale Bedingungen wie Temperatur, Druck, Füllstand, Durchfluss, Strom, Spannung oder Geschwindigkeit zu verstehen.
Empfängt die SPS die Temperatur direkt?
Nicht immer.
Zum Beispiel kann ein Temperatursensor seinen Widerstand nur ändern, wenn sich die Temperatur ändert. Das analoge Eingangsmodul misst diese Änderung und wandelt sie in eine digitale Zahl um. Nach der Verarbeitung kann die SPS sie als Temperaturwert verwenden.
Welche Rolle spielen Klemmenblöcke in einem SPS-Schaltschrank?
Klemmenblöcke sind die Verbindungspunkte des SPS-Schaltschranks.
Feldsignale gelangen über Klemmenblöcke in den Schaltschrank, und SPS-Ausgangsbefehle verlassen den Schaltschrank über Klemmenblöcke.
Warum verbindet sich eine SPS mit einem MCC?
Motoren werden in industriellen Systemen häufig eingesetzt.
Die SPS entscheidet, wann ein Motor starten, stoppen, zurückgesetzt werden oder die Drehzahl ändern soll. Das MCC übernimmt die Motorleistung, den Schutz, die Schütze, die Überlastrelais, die Sanftanlaufgeräte oder die Frequenzumrichter.
Versorgt die SPS den Motor direkt mit Strom?
Nein.
Die SPS sendet Steuerbefehle. Das MCC oder die Motorstarterausrüstung übernimmt die eigentliche Motorleistung.
