Speicherprogrammierbare Steuerung

Grundstruktur Die Essenz eines speicherprogrammierbare Steuerung ist ein Computer für die industrielle Steuerung. Seine Hardwarestruktur entspricht im Wesentlichen der 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 sie nicht ordnungsgemäß funktionieren. Daher legt der Hersteller der speicherprogrammierbaren Steuerung auch großen Wert auf die Konstruktion und Herstellung der Stromversorgung. In der Regel 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. Sie empfängt und speichert das vom Programmiergerät eingegebene Anwenderprogramm und die Daten entsprechend den vom Systemprogramm der speicherprogrammierbaren Steuerung zugewiesenen Funktionen. Sie prüft den Status von Stromversorgung, Speicher, E/A und Warntimer und kann Syntaxfehler im Anwenderprogramm diagnostizieren. Bei Inbetriebnahme der speicherprogrammierbaren Steuerung erfasst sie zunächst den Status und die Daten jedes Eingabegeräts vor Ort und speichert diese im E/A-Abbildbereich. Anschließend liest sie das Anwenderprogramm nacheinander aus dem Speicher. 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 Anwenderprogramme ausgeführt wurden, werden der Ausgabestatus des E/A-Abbildbereichs oder die Daten im Ausgaberegister schließlich an das entsprechende Ausgabegerät übertragen. Der Zyklus läuft bis zum Stillstand. Um die Zuverlässigkeit der SPS weiter zu verbessern, werden große SPS auch mit Dual-CPUs ausgestattet, um ein redundantes System oder ein Drei-CPU-Voting-System zu bilden, sodass das gesamte System auch bei Ausfall einer CPU noch normal funktionieren kann. 3. Speicher Der Speicher, in dem die Systemsoftware gespeichert ist, wird als Systemprogrammspeicher bezeichnet. Der Speicher, in dem Anwendungssoftware gespeichert wird, wird als Benutzerprogrammspeicher bezeichnet. 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 Feldausgabe-Schnittstellenschaltung ist mit dem Ausgabedatenregister, der Auswahlschaltung und der Unterbrechungsanforderungsschaltung integriert, und der speicherprogrammierbare Controller gibt das entsprechende Steuersignal über die Feldausgabe-Schnittstellenschaltung an die Feldausführungskomponente aus. 5. Funktionsmodule Wie etwa Zähl-, Positionierungs- und andere Funktionsmodule. 6. Kommunikationsmodul  SPS-Auswahl und Fallanalyse Bei der Auswahl einer SPS sollten Sie die Prozesseigenschaften und Steuerungsanforderungen detailliert analysieren, die Steuerungsaufgaben und den Steuerungsumfang klären, die erforderlichen Operationen und Aktionen festlegen und anschließend die Anzahl der Ein- und Ausgangspunkte sowie die erforderliche Speicherkapazität abschätzen. Anschließend sollten Sie die Funktionen der SPS und die Eigenschaften externer Geräte anhand der Steuerungsanforderungen festlegen. Wählen Sie schließlich eine SPS mit einem besseren Preis-Leistungs-Verhältnis und entwerfen Sie ein entsprechendes Steuerungssystem. Nachfolgend erläutern wir die Punkte, auf die Sie bei der Auswahl einer SPS achten sollten: 1. Schätzung der Eingangs- und Ausgangspunkte (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 Ein- und Ausgangspunkte ein erweiterbarer Spielraum von 10 % bis 20 % als Schätzwert für die Anzahl der Ein- und Ausgangspunkte 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 Schätzung der Programmkapazität zu erhalten, wird üblicherweise die Schätzung der Speicherkapazität als Ersatz herangezogen. Im Allgemeinen entspricht sie dem 10- bis 15-fachen der Anzahl der digitalen E/A-Punkte plus dem 100-fachen der Anzahl der analogen E/A-Punkte. Diese Zahl entspricht der Gesamtzahl der Wörter im Speicher (16 Bit sind ein Wort). Weitere 25 % dieser Zahl werden als Spielraum berücksichtigt.3. Auswahl der Steuerfunktionen; diese Auswahl umfasst die Auswahl von Eigenschaften wie Berechnungsfunktion, Steuerfunktion, Kommunikationsfunktion, Programmierfunktion, Diagnosefunktion und Verarbeitungsgeschwindigkeit. (1) Operationsfunktionen; die Operationsfunktionen einfacher SPS umfassen logische Operationen sowie Zeit- und Zählfunktionen; die Operationsfunktionen gewöhnlicher SPS umfassen auch Datenverschiebung, Vergleich und andere Operationsfunktionen; komplexere Operationsfunktionen umfassen algebraische Operationen und Datenübertragung; große SPS verfügen auch über analoge PID-Operationen und andere erweiterte Operationsfunktionen. Mit dem Aufkommen offener Systeme verfügen SPS nun über Kommunikationsfunktionen. Manche Produkte kommunizieren mit niedrigeren Computern, andere mit demselben oder einem höheren Computer, und manche Produkte verfügen auch über die Funktion der Datenkommunikation mit dem Fabrik- oder Unternehmensnetzwerk. Bei der Entwicklung und Auswahl sollten wir von den Anforderungen der tatsächlichen Anwendung ausgehen und die benötigten Operationsfunktionen sinnvoll auswählen. In den meisten Anwendungen werden nur logische Operationen sowie Zeit- und Zählfunktionen benötigt. Manche Anwendungen erfordern Datenübertragung und -vergleich. Bei der analogen Erkennung und Steuerung werden algebraische Operationen, numerische Konvertierungen und PID-Operationen verwendet. Zur Anzeige von Daten sind Dekodierungs- und Kodierungsoperationen erforderlich. (2) Steuerfunktionen: Zu den Steuerfunktionen gehören PID-Regelungen, Feedforward-Kompensationsregelungen, Verhältnisregelungen usw., die entsprechend den Steuerungsanforderungen festgelegt werden sollten. SPS wird hauptsächlich für die sequentielle Logiksteuerung eingesetzt. Daher werden in den meisten Fällen Ein- oder Mehrschleifenregler zur Lösung analoger Steuerungen verwendet. Manchmal werden auch dedizierte intelligente Ein- und Ausgabeeinheiten eingesetzt, um die erforderlichen Steuerfunktionen zu vervollständigen, die Verarbeitungsgeschwindigkeit der SPS zu verbessern und Speicherkapazität zu sparen. Beispielsweise werden PID-Regler, Hochgeschwindigkeitszähler, Analogeinheiten mit Geschwindigkeitskompensation und ASC-Codekonverter usw. verwendet. (3) Kommunikationsfunktion: Große und mittelgroße SPS-Systeme sollten verschiedene Feldbusse und Standardkommunikationsprotokolle (wie TCP/IP) unterstützen und bei Bedarf eine Verbindung zum Fabrikmanagementnetzwerk (TCP/IP) herstellen können. Das Kommunikationsprotokoll sollte den ISO/IEEE-Kommunikationsstandards entsprechen und ein offenes Kommunikationsnetzwerk sein. Die Kommunikationsschnittstellen des SPS-Systems sollten serielle und parallele Schnittstellen (RS 232C/422A/485), RIO-Kommunikationsports, Industrial Ethernet und eine gemeinsame DCS-Schnittstelle umfassen. Die wichtigsten Formen des Kommunikationsnetzwerks eines SPS-Systems sind: 1) Ein PC ist die Master-Station, und mehrere SPS desselben Modells sind Slave-Stationen, wodurch ein einfaches SPS-Netzwerk entsteht. 2) Eine SPS ist die Master-Station, und weitere SPS desselben Modells sind Slave-Stationen, wodurch ein Master-Slave-SPS-Netzwerk entsteht. 3) Das SPS-Netzwerk ist über eine spezielle Netzwerkschnittstelle als Subnetz mit einem großen DCS verbunden. 4) Dediziertes SPS-Netzwerk (dediziertes SPS-Kommunikationsnetzwerk jedes Herstellers). Um die CPU-Kommunikationsaufgabe zu reduzieren, sollten entsprechend den tatsächlichen Anforderungen der Netzwerkzusammensetzung Kommunikationsprozessoren mit unterschiedlichen Kommunikationsfunktionen (wie Punkt-zu-Punkt, Feldbus, Industrial Ethernet) ausgewählt werden. (4) Programmierfunktion; Offline-Programmiermodus: SPS und Programmiergerät teilen sich eine CPU. Im Programmiermodus übernimmt die CPU nur die Steuerung der Feldgeräte und steuert diese nicht. Nach Abschluss der Programmierung wechselt der Programmierer in den laufenden Modus, und die CPU steuert die Feldgeräte. Die Programmierung kann nicht durchgeführt werden. Offline-Programmierung kann die Systemkosten senken, ist aber umständlich in Bedienung und Fehlerbehebung. Online-Programmiermodus: CPU und Programmiergerät nutzen jeweils eine eigene CPU. Die Host-CPU ist für die Feldsteuerung zuständig und tauscht innerhalb eines Zyklus Daten mit dem Programmiergerät aus. Der Programmierer sendet das online kompilierte Programm bzw. die online kompilierten Daten an den Host. Im nächsten Zyklus arbeitet der Host mit dem neu empfangenen Programm. Diese Methode ist zwar teurer, bietet aber komfortables Debugging und Bedienung und wird häufig in großen und mittelgroßen SPS-Systemen eingesetzt. (5) DiagnosefunktionDie Diagnosefunktion der SPS umfasst Hardware- und Softwarediagnose. Die Hardwarediagnose ermittelt den Fehlerort der Hardware durch Hardware-Logikbeurteilung, die Softwarediagnose unterteilt sich in interne und externe Diagnose. Die Diagnose der internen Leistung und Funktion der SPS mittels Software ist eine interne Diagnose, die Diagnose des Informationsaustauschs zwischen der SPS-CPU und externen Ein- und Ausgabekomponenten mittels Software eine externe Diagnose.Die Stärke der Diagnosefunktion der SPS wirkt sich direkt auf die technischen Fähigkeiten aus, die von Bedienern und Wartungspersonal verlangt werden, und beeinflusst die durchschnittliche Reparaturzeit. (6) VerarbeitungsgeschwindigkeitDie SPS arbeitet im Scan-Modus. Aus Echtzeitsicht sollte die Verarbeitungsgeschwindigkeit so hoch wie möglich sein. Ist die Signaldauer kürzer als die Scan-Zeit, kann die SPS das Signal nicht scannen, was zu Signaldatenverlust führt. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit hängt von der Länge des Anwenderprogramms, der CPU-Verarbeitungsgeschwindigkeit und der Softwarequalität ab. Aktuelle SPS-Kontakte reagieren schnell und hoch. Die Ausführungszeit jedes Binärbefehls beträgt etwa 0,2 bis 0,4 s und kann daher an Anwendungsanforderungen mit hohen Steuerungs- und Reaktionsanforderungen angepasst werden. Der Scan-Zyklus (Prozessor-Scan-Zyklus) sollte folgende Anforderungen erfüllen: Die Scan-Zeit kleiner SPS beträgt nicht mehr als 0,5 ms/k; die Scan-Zeit großer und mittelgroßer SPS beträgt nicht mehr als 0,2 ms/k. 4. Modellauswahl (1) Arten von SPSSPS werden je nach Struktur in zwei Kategorien unterteilt: integraler Typ und modularer Typ. Sie werden je nach Anwendungsumgebung in zwei Kategorien unterteilt: Feldinstallation und Kontrollrauminstallation. Je nach CPU-Wortlänge werden sie in 1 Bit, 4 Bit, 8 Bit, 16 Bit, 32 Bit, 64 Bit usw. unterteilt. Aus Anwendungssicht kann die Auswahl üblicherweise nach Steuerfunktion oder Ein- und Ausgangspunkten erfolgen. Die E/A-Punkte integraler SPS sind festgelegt, sodass Benutzer weniger Auswahlmöglichkeiten haben und in kleinen Steuerungssystemen eingesetzt werden. Modulare SPS bieten eine Vielzahl von E/A-Karten oder Steckkarten, sodass Benutzer die E/A-Punkte des Steuerungssystems sinnvoll auswählen und konfigurieren können. Die Funktionserweiterung ist bequem und flexibel und wird üblicherweise in großen und mittelgroßen Steuerungssystemen eingesetzt. (2) Auswahl der Eingangs- und Ausgangsmodule; die Auswahl der Eingangs- und Ausgangsmodule sollte den Anwendungsanforderungen entsprechen. Bei Eingangsmodulen sollten beispielsweise Anwendungsanforderungen wie Signalpegel, Signalübertragungsdistanz, Signalisolierung und Signalversorgungsmethode berücksichtigt werden. Bei Ausgangsmodulen sollte der Typ des Ausgangsmoduls berücksichtigt werden. Relaisausgangsmodule zeichnen sich in der Regel durch niedrigen Preis, großen Spannungsbereich, kurze Lebensdauer und lange Reaktionszeit aus. Thyristorausgangsmodule eignen sich für häufiges Schalten und induktive Lasten mit niedrigem Leistungsfaktor, sind jedoch teurer und weisen eine geringe Überlastfähigkeit auf. Ausgangsmodule verfügen außerdem über Gleichstrom-, Wechselstrom- und Analogausgänge, die den Anwendungsanforderungen entsprechen sollten. Entsprechend den Anwendungsanforderungen können intelligente Eingangs- und Ausgangsmodule sinnvoll ausgewählt werden, um die Steuerungsebene zu verbessern und die Anwendungskosten zu senken. Überlegen Sie, ob ein Erweiterungsrack oder ein Remote-I/O-Rack erforderlich ist. (3) Auswahl der StromversorgungDie Stromversorgung der SPS muss nicht nur gemäß den Produkthandbuchanforderungen entworfen und ausgewählt werden, sondern auch gemäß den Anforderungen des Produkthandbuchs. In der Regel sollte die Stromversorgung der SPS mit 220 V Wechselstrom ausgelegt und ausgewählt werden, was der Spannung des heimischen Stromnetzes entspricht. 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 die bereitgestellte Stromstärke den Anwendungsanforderungen entspricht. Andernfalls muss eine externe Stromversorgung vorgesehen werden. Um zu verhindern, dass die externe Hochspannungsversorgung aufgrund von Fehlbedienungen in die SPS gelangt, ist es notwendig, die Eingangs- und Ausgangssignale zu isolieren. Manchmal kann eine einfache Diode oder ein Sicherungsrohr zur Isolierung verwendet werden. (4) Speicherauswahl: Durch die Entwicklung computerintegrierter Chiptechnologie sind die Speicherpreise gesunken. Um den normalen Betrieb des Anwendungsprojekts zu gewährleisten, ist daher in der Regel eine SPS-Speicherkapazität von mindestens 8 KByte (entsprechend 256 E/A-Punkten) erforderlich. Bei komplexen Steuerungsfunktionen sollte ein Speicher mit höherer Kapazität und höherer Qualität gewählt werden. (5) Wirtschaftliche ErwägungenBei der Auswahl einer SPS sollten Sie das Preis-Leistungs-Verhältnis berücksichtigen. Bei der Betrachtung der Wirtschaftlichkeit sollten Sie auch Faktoren wie Skalierbarkeit, Bedienbarkeit und Input-Output-Verhältnis der Anwendung berücksichtigen, Vergleiche anstellen und diese berücksichtigen, um schließlich ein zufriedenstellenderes Produkt auszuwählen.Die Anzahl der Ein- und Ausgänge wirkt sich direkt auf den Preis aus. Jede zusätzliche Ein- und Ausgangskarte erhöht die Kosten. Steigt die Anzahl der Ausgänge auf einen bestimmten Wert, erhöht sich auch die entsprechende Speicherkapazität, das Rack, das Motherboard usw. Daher wirkt sich die Erhöhung der Anzahl der Ausgänge auf die Auswahl von CPU, Speicherkapazität, Steuerungsfunktionsumfang usw. aus. Dies sollte bei der Kostenschätzung und Auswahl umfassend berücksichtigt werden, um ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis für das gesamte Steuerungssystem zu gewährleisten. 

Befehle zum Setzen und Zurücksetzen (SET/RST) (1) SET (Set-Anweisung) Seine Funktion besteht darin, das zu bedienende Zielelement festzulegen und beizubehalten. (2) RST (Reset-Befehl) setzt das bediente Zielelement zurück und hält es im gelöschten Zustand. Wenn die Befehle SET und RST verwendet werden und X0 normalerweise offen und verbunden ist, wird Y0 EIN und bleibt in diesem Zustand. Selbst wenn X0 getrennt wird, bleibt der EIN-Zustand von Y0 unverändert. Nur wenn X1 normalerweise geöffnet und geschlossen ist, wird Y0 AUS und bleibt in diesem Zustand. Auch wenn X1 normalerweise offen und getrennt ist, bleibt Y0 AUS. Anweisungen zur Verwendung von SET- und RST-Anweisungen: 1) Die Zielelemente des SET-Befehls sind Y, M, S und die Zielelemente des RST-Befehls sind Y, M, S, T, C, D, V und Z. Der RST-Befehl wird häufig zum Löschen verwendet den Inhalt von D, Z und V und wird auch zum Zurücksetzen des kumulativen Timers und Zählers verwendet. 2) Für dasselbe Zielelement können SET und RST mehrmals in beliebiger Reihenfolge verwendet werden, aber das zuletzt ausgeführte Element ist gültig. Master-Steueranweisungen (MC/MCR) 1) MC (Master Control Instruction) wird für die Verbindung gemeinsamer Reihenkontakte verwendet. Nach der Ausführung von MC bewegt sich die linke Sammelschiene hinter den MC-Kontakt. 2) MCR (Master Control Reset Instruction) Dies ist der Reset-Befehl des MC-Befehls, dh der MCR-Befehl wird verwendet, um die ursprüngliche Position des linken Busses wiederherzustellen. Bei der Programmierung kommt es häufig vor, dass mehrere Spulen gleichzeitig von einem oder mehreren Kontakten gesteuert werden. Wenn im Steuerstromkreis jeder Spule die gleichen Kontakte in Reihe geschaltet werden, wird eine große Anzahl von Speichereinheiten belegt. Die Verwendung des Hauptsteuerbefehls kann dieses Problem lösen. MC- und MCR-Anweisungen verwenden MC N0 M100, um den linken Bus nach rechts zu verschieben, sodass Y0 und Y1 unter der Kontrolle von X0 stehen, wobei N0 die Verschachtelungsebene darstellt. In einer nicht verschachtelten Struktur kann N0 unbegrenzt oft verwendet werden; MCR N0 wird verwendet, um den ursprünglichen Zustand des linken Busses wiederherzustellen. Wenn X0 getrennt ist, werden die Anweisungen zwischen MC und MCR übersprungen und abwärts ausgeführt. Anweisungen zur Verwendung von MC- und MCR-Anweisungen: 1) Die Zielelemente der MC- und MCR-Befehle sind Y und M, spezielle Hilfsrelais können jedoch nicht verwendet werden. MC belegt 3 Programmschritte und MCR belegt 2 Programmschritte; 2) Der Hauptsteuerkontakt liegt im Kontaktplan senkrecht zum Hauptkontakt. Der Hauptsteuerkontakt ist ein Schließerkontakt, der an die linke Sammelschiene angeschlossen ist und der Hauptschalter ist, der eine Gruppe von Stromkreisen steuert. Die mit dem Hauptsteuerkontakt verbundenen Kontakte müssen den LD- oder LDI-Befehl verwenden. 3) Wenn der Eingangskontakt des MC-Befehls getrennt wird, behalten die kumulativen Timer, Zähler und Komponenten, die von den Reset-/Setzbefehlen in MC und MCR gesteuert werden, ihren vorherigen Zustand bei. Nicht kumulative Timer und Zähler sowie Komponenten, die vom OUT-Befehl gesteuert werden, werden zurückgesetzt. Wenn X0 in 22 getrennt wird, werden Y0 und Y1 ausgeschaltet. 4) Die erneute Verwendung von MC-Anweisungen in einem MC-Anweisungsbereich wird als Verschachtelung bezeichnet. Die maximale Anzahl der Verschachtelungsebenen beträgt 8, und die Anzahl steigt in der Größenordnung von N0→N1→N2→N3→N4→N5→N6→N7. Die Rückkehr jeder Ebene verwendet den entsprechenden MCR-Befehl und setzt von der Verschachtelungsebene mit der größten Nummer zurück. Differentialanweisungen (PLS/PLF) (1) PLS (Rising Edge Differential Instruction) erzeugt einen Impulsausgang von einem Scanzyklus an der Anstiegsflanke des Eingangssignals; (2) PLF (Falling Edge Differential Instruction) erzeugt einen Impulsausgang von einem Abtastzyklus an der fallenden Flanke des Eingangssignals. Die Flanke des Signals wird durch den Differentialbefehl erkannt und der Zustand von Y0 wird durch die Set- und Reset-Befehle gesteuert. Anleitung zur Verwendung von PLS- und PLF-Anweisungen: 1) Die Zielelemente von PLS- und PLF-Anweisungen sind Y und M; 2) Bei Verwendung von PLS ist das Zielelement nur innerhalb eines Abtastzyklus eingeschaltet, nachdem der Antriebseingang eingeschaltet ist, und M0 ist nur innerhalb eines Abtastzyklus eingeschaltet, wenn der normalerweise offene Kontakt von X0 von Aus auf Ein wechselt; Bei Verwendung des PLF-Befehls wird nur die fallende Flanke des Eingangssignals zum Ansteuern verwendet, der Rest ist der gleiche wie bei PLS.