SPS-Programmierung: Ein definitiver Leitfaden für Anfänger 

Dieser Artikel soll einen strukturierten, umfassenden Verständnis-Fahrplan für Anfänger, Experten aus anderen Märkten und Designer bereitstellen, die ihr Verständnis systematisieren möchten.

Wir werden uns mit den grundlegenden Kenntnissen befassen, die für die SPS-Programmierung erforderlich sind, und traditionelle SPS Automatisierungsprodukte auf dem Markt und erstellen Sie einen effektiven Lernpfad vom Konzept zur Praxis, der Ihnen hilft, im Zeitalter von Industrie 4.0 die Nase vorn zu haben.

Warum PLC die „harte Währung“ der Zukunft ist

Wenn wir von „Industrie 4.0“, „intelligenter Produktion“ oder dem „Internet der Dinge“ (IoT) sprechen, stellen wir uns eine hochautomatisierte, datengesteuerte Produktionsanlage der Zukunft vor. Hinter dieser großartigen Geschichte steckt der programmierbare logische Controller (SPS), der jede einzelne Aktivität in der Produktionslinie im Hintergrund steuert.

Es wurde in den 1960er Jahren entwickelt, um große und komplexe Relaisschaltschränke zu ersetzen, und hat sich mittlerweile zu einem kommerziellen Computersystem entwickelt, das Steuerung, Berechnung und Kommunikation vereint.

Von Schweißstraßen im Fahrzeugbau bis zu Verpackungsstraßen im Lebensmittelsektor, von städtischen Wasserversorgungssystemen bis zu modernen Logistikzentren sind SPS allgegenwärtig.

Einem Bericht von MarketsandMarkets zufolge wird der weltweite SPS-Markt voraussichtlich weiterhin stabil wachsen, angetrieben durch das unermüdliche Streben des weltweiten Fertigungssektors nach besserer Leistung, Spitzenqualität und Flexibilität.

Aus diesem Grund bedeutet das Beherrschen von SPS-Programmen, dass Sie die Fähigkeit erworben haben, mit modernen Industriegeräten zu „kommunizieren“, was es zu einer unverzichtbaren „Bargeldbeschaffung“ in Ihrer Fachkarriere macht.

Dennoch fühlen sich viele entmutigt, wenn sie zum ersten Mal mit SPS in Berührung kommen: „Ich habe keine elektrischen Kenntnisse, kann ich mir das aneignen?“ „Das Wissen ist so komplex, wo fange ich überhaupt an?“

Dieser kurze Artikel wird diese Fragen sicherlich beseitigen und zeigen, dass jeder mit der richtigen Technik PLC-Shows systematisch verstehen kann.

I. Aufbau einer soliden Grundlage: Die 3 Eckpfeiler von SPS-Programmen.

Genauso wie das Erlernen jeder Sprache zunächst das Beherrschen des Alphabets und der Grammatik erfordert, muss das Erlernen von PLC-Programmen mit den grundlegendsten Teilen beginnen.

1. Die Sprache der Maschinen: Zahlengeräte

Die interne Welt einer SPS ist eine binäre Welt, die aus „0en“ und „1en“ besteht. Alle komplexen Anweisungen und Daten werden zwangsläufig in diese grundlegendste Art von elektrischem Signal (EIN/AUS) umgewandelt.

Daher ist das Erkennen verschiedener Zahlensysteme und ihrer Konvertierungen der erste Schritt beim Erlernen von SPS-Programmen.

• Binär: Die grundlegende Betriebssprache einer SPS, die nur aus 0 und 1 besteht. Beispielsweise kann die Sichtbarkeit oder das Fehlen eines Eingangssignals oder der Start-/Stopp-Zustand eines Motors durch 1 und 0 dargestellt werden.
• Dezimal: Das uns im Alltag am meisten vertraute Zählsystem, bestehend aus den Ziffern 0-9.
• Hexadezimal: Wurde entwickelt, um lange Binärzahlen, bestehend aus 0-9 und AF, viel kompakter darzustellen. Wird regelmäßig bei der Verarbeitung von Speicheradressen und Dateninteraktion verwendet.

Trick zum Mitnehmen: Sie müssen mit der Umwandlung zwischen Dezimal- und Binärzahlen vertraut sein, da die Sollwerte der SPS-Timer und -Zähler (im Dezimalformat) im Binärformat gespeichert und verfeinert werden.

Umrechnungstabelle für Zahlensysteme.

2. Die Container der Informationen: Datentypen

Wenn Zahlensysteme die Buchstaben sind, dann sind Datentypen die Regeln, die genau definieren, wie diese Buchstaben zu „Wörtern“ angeordnet werden.

In einer SPS werden Informationen in unterschiedlichen Längen und Formaten gespeichert, um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden. Am Beispiel der weit verbreiteten Siemens-SPS bestehen typische Datentypen aus:

• Bisschen: Die kleinste Dateneinheit mit einem Wert von 0 oder 1. Stellt eine Taste oder ein Sensoreinheitssignal dar.
• Byte: Besteht aus 8 kleinen Teilen.
• Wort: Besteht aus 2 Bytes (16 Bits). Wird im Allgemeinen zum Speichern von Ganzzahlen (Int) verwendet.
• Doppelwort: Besteht aus 2 Wörtern (32 Bits). Kann zum Speichern größerer Ganzzahlen (DInt) oder echter Zahlen verwendet werden.
• Real/Float: Eine Gleitkommazahl, die zur Darstellung bestimmter Werte mit Dezimalstellen verwendet wird, z. B. Temperatur- oder Spannungssignale. Sie belegt 32 Bit Speicher.

Datenartbeziehungen und -größe.

Das Erkennen dieser Informationstypen ist entscheidend. Die Verwendung eines falschen Informationstyps kann zu Programmfehlern oder Datenüberlauf führen.

Wenn Sie beispielsweise einen Temperaturwert, der eine Dezimalgenauigkeit erfordert, direkt in einer Integer-Variablen (Int) speichern, wird die Bruchkomponente mit Sicherheit abgeschnitten.

3. Die Regulierung der Logik: Boolesche Algebra

Die Boolesche Algebra ist das Herzstück der Ladder-Reasoning-Programmierung. Sie spezifiziert grundlegende rationale Partnerschaften, die hauptsächlich aus „UND“, „ODER“ und „NICHT“ bestehen.

• UND: Das Ergebnis ist 1, wenn alle Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind (1 ). Im Ladder Reasoning wird dies durch aufeinanderfolgende Aufrufe dargestellt. Anwendungsfall: Eine Maschine kann nur starten, wenn der „Not-Aus-Knopf nicht gedrückt ist“ (Problem A= 1) UND der „Start-Knopf gedrückt ist“ (Bedingung B= 1).
• ODER: Das Ergebnis ist 1, wenn mindestens eine Bedingung erfüllt ist (1). In der Kontaktplanlogik wird dies durch parallele Aufrufe dargestellt. Anwendungsbeispiel: Eine Alarmlampe wird ausgelöst, wenn „Temperatur zu hoch“ (Bedingung A=1) ODER „Druck zu hoch“ (Bedingung B=1) ist.
• NICHT: Das Ergebnis ist die Umkehrung der Problemstellung. Im Ladder Reasoning wird dies durch einen NC-Aufruf dargestellt. Anwendungsszenario: Wenn der Tankfüllstand nicht vollständig ist (Bedingung A=0), soll die Pumpe laufen (Ausgang Y=1). Dieses Problem wird im Programm mithilfe eines NC-Aufrufs dargestellt, der für „Füllstand nicht vollständig“ steht.

Wenn Sie diese drei grundlegenden sinnvollen Operationen beherrschen, können Sie den Großteil der wesentlichen SPS-Programme lesen und erstellen.

II. Vergleich gängiger SPS-Automatisierungsprodukte

Nachdem Sie die Grundlagen beherrschen, besteht der nächste wichtige Schritt darin, einen idealen SPS-Markennamen für eine gründliche Untersuchung auszuwählen.

Verschiedene Marken haben unterschiedliche Marktpositionen, Programmsoftware und Branchenanwendungen. Nachfolgend finden Sie eine relative Bewertung zahlreicher bedeutender internationaler SPS-Marken.

Empfehlung für Anfänger:

• Wenn Ihr Ziel große Anlagen oder in Europa hergestellte Werkzeuge sind, ist der Einstieg mit Siemens S7-1200 und TIA Portal aufgrund seines hohen Marktanteils und seiner technischen Führungsrolle die beste Wahl.
• Wenn Sie sich auf kleine Geräte konzentrieren oder ein begrenztes Budget haben, ist die Mitsubishi FX-Serie mit ihren zahlreichen Lernressourcen und relativ niedrigen Hardwarekosten ein hervorragender Ausgangspunkt.

III. Vom Konzept zur Praxis: Ein vierstufiger, hocheffizienter Lernpfad

Akademisches Wissen ist die Grundlage, aber nur die Methode kann den Wolkenkratzer errichten. 

Schritt 1: Softwareprogrammsimulation zum Kennenlernen der Atmosphäre

Laden Sie die Software Ihres bevorzugten Herstellers (z. B. TIA Site, GX Works3) herunter und installieren Sie sie. Nutzen Sie die integrierte Simulationsfunktion, um ohne Hardware-Kauf Ihr erstes „Hello There World“-Projekt zu erstellen – eine einfache Start-Stopp-Latch-Schaltung.

Machen Sie sich mit der Benutzeroberfläche der Software vertraut, erfahren Sie, wie Sie Tags (Variablen) erstellen, wie Sie eine Leiterlogik schreiben und wie Sie ein Programm herunterladen und verfolgen.

Aktion 2: Beherrschen Sie die grundlegenden Anweisungen 

Entdecken und üben Sie systematisch die folgenden Kernfunktionen:.

• Richtlinien für Little Bit Logic: UND, ODER, NICHT, Ausgangsspulen usw.
• Timer: On-Delay (BUNCH), Off-Delay (TOF) zur Implementierung von Funktionen wie verzögertem Start und verzögertem Beenden.
• Zähler: Count Up (CTU), Count Down (CTD) zum Erfassen von Artikelzählungen, Aufzeichnen von Zykluszeiten auf Video usw.
• Bewegungsrichtlinie (MOV): Um Daten von einer Speicheradresse an eine andere zu verschieben.

Schritt 3: Standard-Situationsstudien angehen

Sobald Sie die grundlegenden Anweisungen verstanden haben, versuchen Sie, einige traditionelle Einstiegsaufgaben zu erledigen, wie zum Beispiel:

• Dreiphasenmotor-Vorwärts-/Rückwärtssteuerung.
• Stern-Dreieck-Spannungsabsenkung beginnt.
• Verkehrskontrolle.
• Automatische Steuerung des hin- und hergehenden Wagens.

Diese Fallstudien werden Ihnen sicherlich dabei helfen, bestimmte Anweisungen in einen logischen Rahmen zur Lösung realer Probleme einzubinden.

Aktion 4: Erweiterte Funktionen und praktische Methoden erkunden

Wenn Sie mit den grundlegenden Programmen vertraut sind, können Sie zu fortgeschritteneren Bereichen übergehen:

• Analoge Signalverarbeitung: Erfahren Sie, wie Sie Signale von analogen Sensoreinheiten (Temperatur, Druck) auswerten und eine PID-Regelung durchführen.
• Hochgeschwindigkeitszählung und Impulsausgabe: Wird zum Verbinden von Encodern und Steuern von Schritt-/Servomotoren verwendet.
• Kommunikation und Vernetzung: Informieren Sie sich über den Informationsaustausch zwischen SPS oder zwischen einer SPS und einer Bediengerät (Human-Machine Interface) oder ein Verwaltungscomputer.
• Suchen Sie nach praktischen Möglichkeiten: Kaufen Sie nach Möglichkeit ein SPS-Starterpaket für praktisches Verdrahten und Debuggen. Nichts vermittelt ein besseres Erfolgserlebnis und tieferes Verständnis, als das direkte Einschalten einer Lampe oder das Betreiben eines Motors. Sie können zusätzlich auf Standards und Best Practices von maßgeblichen Organisationen wie der International Society of Automation (ISA) zurückgreifen, um Ihre Fachkompetenz zu verbessern.

Abschluss

Das Erlernen von SPS-Programmen ist keine unerreichbare, komplexe Technologie, sondern eine Reise zur Weiterentwicklung der Fähigkeiten mit einem klaren Kurs und einer klaren Logik.

Die Kernprinzipien sind: Bauen Sie zunächst ein solides Verständnis der drei theoretischen Grundpfeiler auf: Zahlensysteme, Datenarten und logische Verfahren. Wählen Sie anschließend eine gängige SPS-Marke als Lernplattform, die Ihren beruflichen Zielen und den Marktanforderungen entspricht. Folgen Sie schließlich einem strukturierten Weg von der Simulation zur praktischen Anwendung und vom Einfachen zum Komplexen, indem Sie Ihr akademisches Wissen durch kontinuierliche Praxis und projektbasierte Herausforderungen in eine praktische Analysefähigkeit verinnerlichen.

Die Welle der industriellen Automatisierung ist da und die Bedeutung der SPS als zentraler Motor dieser Revolution kann nicht genug betont werden.

Wenn Sie jetzt Ihre Lernreise beginnen, investieren Sie nicht nur in Ihre Fähigkeiten, sondern auch in eine Zukunft voller Chancen. Wir hoffen, dass dieser Leitfaden Ihnen als starker Ausgangspunkt und zuverlässiger Begleiter auf Ihrem Weg zum Verständnis von PLC-Programmen dient.