Analyse des Grundaufbaus, der Auswahl und des Designs von SPS

Grundstruktur

Das Wesen einer speicherprogrammierbaren Steuerung ist ein Computer, der für die industrielle Steuerung bestimmt ist. Sein Hardwareaufbau entspricht grundsätzlich dem eines Mikrocomputers. Die Grundstruktur ist:

1. Stromversorgung

Die Stromversorgung der speicherprogrammierbaren Steuerung spielt im gesamten System eine sehr wichtige Rolle. Ohne ein gutes und zuverlässiges Stromversorgungssystem kann es nicht richtig funktionieren. Daher legt der Hersteller der speicherprogrammierbaren Steuerung auch großen Wert auf die Konstruktion und Fertigung des Netzteils. Im Allgemeinen liegt die Wechselspannungsschwankung im Bereich von +10 % (+15 %), und die SPS kann ohne weitere Maßnahmen direkt an das Wechselstromnetz angeschlossen werden.

2. Zentraleinheit (CPU)

Die Zentraleinheit (CPU) ist die Steuerzentrale der speicherprogrammierbaren Steuerung. Es empfängt und speichert das Benutzerprogramm und die vom Programmierer eingegebenen Daten entsprechend den vom Systemprogramm der speicherprogrammierbaren Steuerung zugewiesenen Funktionen. Überprüft den Status von Stromversorgung, Speicher, E/A und Warntimer und kann Syntaxfehler im Anwenderprogramm diagnostizieren. Wenn die speicherprogrammierbare Steuerung in Betrieb genommen wird, empfängt sie zunächst scannend den Status und die Daten jedes Eingabegeräts vor Ort, speichert sie jeweils im E/A-Bildbereich und liest dann das Benutzerprogramm aus dem Benutzerprogramm Der Befehl wird nacheinander im Speicher abgelegt und nach der Interpretation des Befehls werden die Ergebnisse der logischen oder arithmetischen Operation gemäß den Anweisungen an den E/A-Abbildbereich oder das Datenregister gesendet. Nachdem alle Benutzerprogramme ausgeführt wurden, werden schließlich der Ausgabestatus des E/A-Bildbereichs oder die Daten im Ausgaberegister an das entsprechende Ausgabegerät übertragen und der Zyklus läuft bis zum Stopp.

Um die Zuverlässigkeit der SPS weiter zu verbessern, sind große SPS auch mit zwei CPUs ausgestattet, um ein redundantes System oder ein Drei-CPU-Abstimmungssystem zu bilden, sodass auch bei Ausfall einer CPU das gesamte System weiterhin normal arbeiten kann.

3. Erinnerung

Der Speicher, in dem Systemsoftware gespeichert ist, wird Systemprogrammspeicher genannt.

Der Speicher, in dem Anwendungssoftware gespeichert ist, wird Benutzerprogrammspeicher genannt.

4. Eingangs- und Ausgangsschnittstellenschaltung

4.1. Die Feldeingangsschnittstellenschaltung besteht aus einer optischen Kopplungsschaltung und einer Mikrocomputer-Eingangsschnittstellenschaltung und dient als Eingangskanal der Schnittstelle zwischen der speicherprogrammierbaren Steuerung und der Feldsteuerung.

4.2. Die Feldausgangsschnittstellenschaltung ist in das Ausgangsdatenregister, die Auswahlschaltung und die Unterbrechungsanforderungsschaltung integriert, und die speicherprogrammierbare Steuerung gibt das entsprechende Steuersignal über die Feldausgangsschnittstellenschaltung an die Feldausführungskomponente aus.

5. Funktionsmodule

Wie Zähl-, Positionierungs- und andere Funktionsmodule.

6. Kommunikationsmodul

SPS-Auswahl und Fallanalyse

Bei der Auswahl einer SPS sollten Sie die Eigenschaften des Prozesses und die Steuerungsanforderungen im Detail analysieren, die Steuerungsaufgaben und den Steuerungsumfang klären, die erforderlichen Operationen und Aktionen bestimmen und anschließend die Anzahl der Ein- und Ausgabepunkte, die erforderliche Speicherkapazität usw. abschätzen Bestimmen Sie die Funktionen der SPS und die Eigenschaften externer Geräte anhand der Steuerungsanforderungen. Wählen Sie abschließend eine SPS mit einem höheren Leistungs-Preis-Verhältnis aus und entwerfen Sie ein entsprechendes Steuerungssystem.

Im Folgenden gehen wir detailliert auf die Punkte ein, die bei der Auswahl einer SPS beachtet werden sollten:

1. Schätzung der Eingabe- und Ausgabepunkte (I/O).

Bei der Schätzung der Anzahl der E/A-Punkte sollte ein angemessener Spielraum berücksichtigt werden. Normalerweise wird basierend auf der statistischen Anzahl der Eingabe- und Ausgabepunkte eine erweiterbare Marge von 10 % bis 20 % als geschätzte Daten für die Anzahl der Eingabe- und Ausgabepunkte hinzugefügt.

2. Schätzung der Speicherkapazität; Die Speicherkapazität ist die Größe der Hardware-Speichereinheit, die die programmierbare Steuerung selbst bereitstellen kann, und die Programmkapazität ist die Größe der Speichereinheit, die vom Benutzeranwendungsprojekt im Speicher verwendet wird. Daher ist die Programmkapazität kleiner als die Speicherkapazität. Um bei Entwurf und Auswahl eine sichere Einschätzung der Programmkapazität zu haben, wird ersatzweise meist die Schätzung der Speicherkapazität herangezogen. Im Allgemeinen beträgt sie das 10- bis 15-fache der Anzahl digitaler E/A-Punkte plus das 100-fache der Anzahl analoger E/A-Punkte. Diese Zahl ist die Gesamtzahl der Wörter im Speicher (16 Bit sind ein Wort). und weitere 25 % dieser Zahl gelten als Marge.

3. Auswahl der Steuerfunktionen; Diese Auswahl umfasst die Auswahl von Merkmalen wie Berechnungsfunktion, Steuerfunktion, Kommunikationsfunktion, Programmierfunktion, Diagnosefunktion und Verarbeitungsgeschwindigkeit.

(1) Betriebsfunktion; Die Betriebsfunktion einer einfachen SPS umfasst logische Operationen, Timing- und Zählfunktionen. Die Betriebsfunktionen einer gewöhnlichen SPS umfassen auch Datenverschiebungs-, Vergleichs- und andere Betriebsfunktionen. Zu den komplexeren Betriebsfunktionen gehören algebraische Operationen, Datenübertragung usw.; Große SPS verfügen außerdem über einen analogen PID-Betrieb und andere erweiterte Betriebsfunktionen. Mit dem Aufkommen offener Systeme verfügen SPS nun über Kommunikationsfunktionen. Einige Produkte kommunizieren mit unteren Computern, einige Produkte kommunizieren mit demselben Computer oder oberen Computer und einige Produkte verfügen auch über die Funktion der Datenkommunikation mit dem Fabrik- oder Unternehmensnetzwerk. Bei der Gestaltung und Auswahl sollten wir von den Anforderungen der tatsächlichen Anwendung ausgehen und die erforderlichen Betriebsfunktionen sinnvoll auswählen. In den meisten Anwendungen werden nur logische Operationen sowie Zeit- und Zählfunktionen benötigt. Einige Anwendungen erfordern die Übertragung und den Vergleich von Daten. Bei der analogen Erkennung und Steuerung kommen algebraische Operationen, numerische Umwandlungen und PID-Operationen zum Einsatz. Zur Anzeige von Daten sind Dekodierungs- und Kodierungsvorgänge erforderlich.

(2) Steuerfunktionen: Zu den Steuerfunktionen gehören PID-Steuervorgänge, Feedforward-Kompensationssteuervorgänge, Verhältnissteuervorgänge usw., die entsprechend den Steueranforderungen festgelegt werden sollten. SPS wird hauptsächlich zur sequentiellen Logiksteuerung verwendet. Daher werden in den meisten Fällen häufig Einschleifen- oder Mehrschleifenregler verwendet, um die analoge Steuerung zu lösen. Manchmal werden auch dedizierte intelligente Ein- und Ausgabeeinheiten verwendet, um die erforderlichen Steuerungsfunktionen auszuführen, die Verarbeitungsgeschwindigkeit der SPS zu verbessern und Speicherkapazität zu sparen. Zum Einsatz kommen beispielsweise PID-Regeleinheiten, Hochgeschwindigkeitszähler, Analogeinheiten mit Geschwindigkeitskompensation, ASC-Code-Umwandlungseinheiten usw.

(3) Kommunikationsfunktion: Große und mittelgroße SPS-Systeme sollten eine Vielzahl von Feldbussen und Standardkommunikationsprotokollen (z. B. TCP/IP) unterstützen und bei Bedarf eine Verbindung zum Fabrikverwaltungsnetzwerk (TCP/IP) herstellen können. Das Kommunikationsprotokoll sollte den ISO/IEEE-Kommunikationsstandards entsprechen und ein offenes Kommunikationsnetzwerk sein. Die Kommunikationsschnittstelle des SPS-Systems sollte serielle und parallele Kommunikationsschnittstellen (RS 232C/422A/485), RIO-Kommunikationsanschluss, Industrial Ethernet, gemeinsame DCS-Schnittstelle usw. umfassen; Die Hauptformen des Kommunikationsnetzwerks des SPS-Systems sind die folgenden: 1) Der PC ist die Masterstation, und mehrere SPS desselben Modells sind Slave-Stationen, die ein einfaches SPS-Netzwerk bilden. 2) 1 SPS ist die Master-Station, und andere SPS desselben Modells sind Slave-Stationen, die ein Master-Slave-SPS-Netzwerk bilden. 3) Das SPS-Netzwerk ist über eine bestimmte Netzwerkschnittstelle als Subnetz des DCS mit einem großen DCS verbunden. 4) Dediziertes SPS-Netzwerk (dediziertes SPS-Kommunikationsnetzwerk jedes Herstellers). Um die CPU-Kommunikationsaufgabe entsprechend den tatsächlichen Anforderungen der Netzwerkzusammensetzung zu reduzieren, sollten Kommunikationsprozessoren mit unterschiedlichen Kommunikationsfunktionen (z. B. Punkt-zu-Punkt, Feldbus, Industrial Ethernet) ausgewählt werden.

(4) Programmierfunktion; Offline-Programmiermodus: SPS und Programmierer teilen sich eine CPU. Wenn sich der Programmierer im Programmiermodus befindet, stellt die CPU nur Dienste für den Programmierer bereit und steuert nicht die Feldgeräte. Nach Abschluss der Programmierung wechselt der Programmierer in den Betriebsmodus und die CPU steuert die Feldgeräte und kann nicht programmiert werden. Offline-Programmierung kann die Systemkosten senken, ist jedoch umständlich zu verwenden und zu debuggen. Online-Programmiermodus: CPU und Programmierer verfügen über eigene CPUs. Die Host-CPU ist für die Feldsteuerung zuständig und tauscht innerhalb eines Scanzyklus Daten mit dem Programmiergerät aus. Der Programmierer sendet das online kompilierte Programm oder die Daten an den Host. Im nächsten Scan-Zyklus läuft der Host entsprechend dem neu empfangenen Programm. Diese Methode ist teurer, aber das Debuggen und die Bedienung des Systems sind bequem und wird häufig in großen und mittelgroßen SPS verwendet.

(5) Diagnosefunktion

Die Diagnosefunktion der SPS umfasst Hardware- und Softwarediagnose. Die Hardwarediagnose bestimmt den Fehlerort der Hardware durch Hardware-Logikbeurteilung, und die Softwarediagnose ist in interne Diagnose und externe Diagnose unterteilt. Die Diagnose der internen Leistung und Funktion der SPS durch Software ist eine interne Diagnose, und die Diagnose der Informationsaustauschfunktion zwischen der SPS-CPU und externen Eingabe- und Ausgabekomponenten durch Software ist eine externe Diagnose.

Die Stärke der Diagnosefunktion der SPS wirkt sich direkt auf die technischen Fähigkeiten aus, die von Bedienern und Wartungspersonal gefordert werden, und wirkt sich auf die durchschnittliche Reparaturzeit aus.

(6) Verarbeitungsgeschwindigkeit

Die SPS arbeitet im Scanmodus. Aus Sicht der Echtzeitanforderungen sollte die Verarbeitungsgeschwindigkeit so schnell wie möglich sein. Wenn die Signaldauer kürzer als die Abtastzeit ist, kann die SPS das Signal nicht abtasten, was zum Verlust von Signaldaten führt. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit hängt von der Länge des Benutzerprogramms, der CPU-Verarbeitungsgeschwindigkeit, der Softwarequalität usw. ab. Derzeit verfügen die SPS-Kontakte über eine schnelle Reaktion und hohe Geschwindigkeit. Die Ausführungszeit jedes Binärbefehls beträgt etwa 0,2 bis 0,4 Ls, sodass er sich an die Anwendungsanforderungen mit hohen Steuerungsanforderungen und schnellen Reaktionsanforderungen anpassen kann. Der Scanzyklus (Prozessor-Scanzyklus) sollte die folgenden Anforderungen erfüllen: Die Scanzeit kleiner SPS beträgt nicht mehr als 0,5 ms/K; Die Abtastzeit großer und mittlerer SPS beträgt nicht mehr als 0,2 ms/K.

4. Modellauswahl

(1) Arten von SPS

Die SPS ist je nach Struktur in zwei Kategorien unterteilt: integraler Typ und modularer Typ. Es ist je nach Anwendungsumgebung in zwei Kategorien unterteilt: Feldinstallation und Kontrollrauminstallation. Es ist entsprechend der CPU-Wortlänge in 1 Bit, 4 Bit, 8 Bit, 16 Bit, 32 Bit, 64 Bit usw. unterteilt. Aus anwendungstechnischer Sicht ist die Auswahl in der Regel nach Steuerfunktion oder Ein- und Ausgabepunkten möglich. Die E/A-Punkte der integrierten SPS sind fest, sodass Benutzer weniger Auswahlmöglichkeiten haben und in kleinen Steuerungssystemen eingesetzt werden. Die modulare SPS bietet eine Vielzahl von E/A-Karten oder Steckkarten, sodass Benutzer die E/A-Punkte des Steuerungssystems sinnvoll auswählen und konfigurieren können. Die Funktionserweiterung ist komfortabel und flexibel und wird im Allgemeinen in großen und mittleren Steuerungssystemen eingesetzt.

(2) Auswahl der Ein- und Ausgabemodule; Die Auswahl der Ein- und Ausgabemodule sollte den Anwendungsanforderungen entsprechen. Beispielsweise sollten bei Eingangsmodulen Anwendungsanforderungen wie Signalpegel, Signalübertragungsentfernung, Signalisolierung und Signalstromversorgungsmethode berücksichtigt werden. Bei Ausgabemodulen sollte der Typ des zu wählenden Ausgabemoduls berücksichtigt werden. Im Allgemeinen zeichnen sich Relaisausgangsmodule durch einen niedrigen Preis, einen großen Spannungsbereich, eine kurze Lebensdauer und eine lange Reaktionszeit aus. Thyristor-Ausgangsmodule eignen sich für häufiges Schalten und induktive Belastungen mit niedrigem Leistungsfaktor, sind jedoch teurer und weisen eine schlechte Überlastfähigkeit auf. Ausgangsmodule verfügen außerdem über einen Gleichstromausgang, einen Wechselstromausgang und einen Analogausgang, die den Anwendungsanforderungen entsprechen sollten. Je nach Anwendungsanforderungen können intelligente Eingabe- und Ausgabemodule sinnvoll ausgewählt werden, um das Steuerungsniveau zu verbessern und die Anwendungskosten zu senken. Überlegen Sie, ob ein Erweiterungsrack oder ein Remote-I/O-Rack erforderlich ist.

(3) Auswahl der Stromversorgung

Die Stromversorgung der SPS sollte zusätzlich zum Design und der Auswahl der SPS gemäß den Anforderungen des Produkthandbuchs bei der Einführung von Geräten auch die Stromversorgung der SPS gemäß den Anforderungen des Produkthandbuchs entworfen und ausgewählt werden. Im Allgemeinen sollte die Stromversorgung der SPS mit einer 220-VAC-Stromversorgung ausgelegt und ausgewählt werden, die mit der Spannung des heimischen Stromnetzes übereinstimmt. Für wichtige Anwendungen sollte eine unterbrechungsfreie Stromversorgung oder ein spannungsstabilisiertes Netzteil verwendet werden. Verfügt die SPS selbst über eine nutzbare Stromversorgung, sollte geprüft werden, ob der bereitgestellte Strom den Anwendungsanforderungen entspricht, andernfalls sollte eine externe Stromversorgung konzipiert werden. Um zu verhindern, dass die externe Hochspannungsversorgung aufgrund einer Fehlbedienung in die SPS gelangt, müssen die Eingangs- und Ausgangssignale isoliert werden. Manchmal kann zur Isolierung eine einfache Diode oder ein Sicherungsrohr verwendet werden.

(4) Speicherauswahl: Aufgrund der Entwicklung der computerintegrierten Chiptechnologie ist der Preis für Speicher gesunken. Um den normalen Betrieb des Anwendungsprojekts sicherzustellen, muss die SPS-Speicherkapazität daher im Allgemeinen mindestens 8 KB Speicher entsprechend 256 E/A-Punkten betragen. Wenn komplexe Steuerfunktionen erforderlich sind, sollte eine größere Kapazität und ein hochwertigerer Speicher gewählt werden.

(5) Wirtschaftliche Überlegungen

Bei der Auswahl einer SPS sollten Sie das Leistungs-Preis-Verhältnis berücksichtigen. Bei der Betrachtung der Wirtschaftlichkeit sollten Sie auch Faktoren wie Skalierbarkeit, Bedienbarkeit und Input-Output-Verhältnis der Anwendung berücksichtigen, Vergleiche anstellen und berücksichtigen und schließlich ein zufriedenstellenderes Produkt auswählen.

Die Anzahl der Ein- und Ausgabepunkte hat einen direkten Einfluss auf den Preis. Jede zusätzliche Ein- und Ausgabekarte erhöht die Kosten. Wenn die Anzahl der Punkte einen bestimmten Wert erreicht, erhöht sich auch die entsprechende Speicherkapazität, das Rack, das Motherboard usw. entsprechend. Daher wirkt sich die Erhöhung der Punktezahl auf die Auswahl der CPU, der Speicherkapazität, des Steuerungsfunktionsbereichs usw. aus. Dies sollte bei der Schätzung und Auswahl vollständig berücksichtigt werden, um das gesamte Steuerungssystem zu einem angemesseneren Leistungspreis zu machen Verhältnis.