Die Kunst der SPS-Auswahl meistern: Ein praktischer Leitfaden für Automatisierungsingenieure

Wir werden erörtern, wie man Hersteller auswählt, I/O-Punkte berechnet und optimale Entscheidungen auf Basis von Kommunikationsanforderungen und Speicherkapazität trifft.

I. Herstellerauswahl: Die Logik hinter der Marke

Bestimmung der SPS Der Hersteller ist der erste Schritt. Dabei geht es nicht nur um Markenbekanntheit, sondern vielmehr um die Berücksichtigung von Nutzergewohnheiten, die Kompetenz des Designteams und den technischen Kundendienst.

Was die Zuverlässigkeit betrifft, ist die Hardwarequalität bei keiner großen internationalen Marke im Allgemeinen ein Problem. Allerdings bestehen erhebliche Unterschiede in der Designphilosophie zwischen den Regionen.

Meiner Meinung nach eignen sich japanische SPS-Marken (wie zum Beispiel) am besten für die Steuerung einer Einzelmaschine oder eines relativ einfachen Systems. Mitsubishi oder OmronSie bieten einen deutlichen Vorteil hinsichtlich des Kosten-Leistungs-Verhältnisses. Ihre Befehlssätze sind in der Regel intuitiv und leicht zu erlernen.

Umgekehrt gilt: Wenn es sich bei Ihrem Projekt um ein groß angelegtes verteiltes Steuerungssystem (DCS) mit extrem hohen Anforderungen an die Netzwerkkommunikation handelt, sind europäische und amerikanische SPS (wie z. B. von Siemens oder …) die richtige Wahl. Rockwell Automation) sind überlegen. Ihre Logikstrukturen eignen sich besser für die Steuerung komplexer Prozesse und den Austausch großer Datenmengen.

Um Ihnen einen besseren Überblick zu verschaffen, habe ich die folgende Tabelle erstellt, in der diese beiden Hauptkategorien verglichen werden:

Darüber hinaus sollte in bestimmten Branchen (wie der Metallurgie oder der Tabakindustrie) SPS-Systemen mit bereits ausgereiften Anwendungsfällen in diesem Sektor Vorrang eingeräumt werden. Dies verringert das Ausfallrisiko aufgrund von Inkompatibilität mit der Umgebung erheblich.

II. Präzise Schätzung der Input-/Output-Punkte (I/O-Punkte)

Die Anzahl der Ein-/Ausgänge ist der grundlegendste Parameter einer SPS. Viele Anfänger machen hier Fehler, indem sie entweder zu wenige kaufen und dann nicht genug haben oder zu viele kaufen und Budget verschwenden.

Grundlage für die Bestimmung sollte die Summe aller zur Steuerung der Anlage erforderlichen Eingangs- und Ausgangspunkte sein. In der Praxis rechnen wir jedoch nie “gerade genug”. Es muss immer ein Sicherheitszuschlag eingeplant werden.

Meiner Erfahrung nach ist die gängige Vorgehensweise:

1. Zählen Sie alle festverdrahteten Ein-/Ausgangspunkte.
2. Füge ein 10% bis 20% Erweiterungsspielraum zusätzlich zu dieser Basis.

III. Wissenschaftliche Schätzung der Speicherkapazität

Die Speicherkapazität bezeichnet den vom SPS-System bereitgestellten Speicherplatz. Wir müssen sicherstellen, dass die Speicherkapazität der SPS größer ist als unser aktueller Bedarf, um zukünftige Änderungen oder Erweiterungen des Designs zu ermöglichen.

Ich werde eine in der Ingenieurwissenschaft häufig verwendete Schätzformel vorstellen. Obwohl die Literaturangaben variieren, ist diese Methode praktisch und sicher:

1. Multiplizieren Sie die Anzahl der digitalen I/O-Punkte mit 10 bis 15.
2. Multiplizieren Sie die Anzahl der analogen I/O-Punkte mit 100.
3. Addiert man diese beiden Ergebnisse, erhält man die Gesamtzahl der benötigten Wörter (bei 16-Bit-Wörtern).
4. Zum Schluss wird zu diesem Gesamtbetrag eine Marge von 25% addiert.

Beispielsweise bieten bestimmte Modelle der Siemens S7-300-Serie 64 KB oder 128 KB Arbeitsspeicher. Sie müssen die passende CPU anhand der obigen Schätzung auswählen.

IV. Kommunikationsfunktionen: Die Grundlage des industriellen Internets

Moderne SPSen sind keine isolierten Systeme mehr. Ihre Kommunikationsfunktionen werden immer leistungsfähiger und komplexer. Bei der Auswahl muss daher die Position der SPS innerhalb der Gesamtnetzwerkarchitektur definiert werden.

Gängige Netzwerk-Topologien von SPS-Systemen umfassen:

• PC-Master-Modus: Ein Computer fungiert als SCADA-/Überwachungsstation und steuert mehrere SPSen.
• Multi-SPS-Netzwerk: Eine SPS fungiert als Master, die anderen als Slaves.
• DCS-Integration: Die SPS fungiert als untergeordnetes Subnetz, das mit einem groß angelegten DCS verbunden ist.
• Proprietäre Netzwerke: Geschlossene Protokollnetzwerke, die herstellerspezifisch sind.

Um eine Überlastung der CPU zu vermeiden, empfehle ich dringend den Einsatz unabhängiger Kommunikationsprozessoren (CP) je nach Bedarf. Wenn beispielsweise eine signifikante Ethernet-Datenübertragung erforderlich ist, sollte die CPU nicht alle Datenpakete direkt verarbeiten; die Installation eines dedizierten Kommunikationsmoduls kann die Systemstabilität deutlich verbessern.

V. Auswahl des Bauformfaktors: Kompakt vs. Modular?

Dies ist das sichtbarste physische Auswahlkriterium.

• Kompakte (monolithische) SPS:
  • Feste Ein-/Ausgangspunkte, geringer Platzbedarf, niedrige Kosten. Typischerweise für kleine Steuerungssysteme verwendet.
  • Typische Wiederholungen: Siemens S7-200 SMART, Mitsubishi FX-Serie, Omron CP-Serie.
• Modulare SPS:
  • Netzteil, CPU und I/O-Module lassen sich wie Bausteine unabhängig voneinander auswählen und in eine Backplane/ein Rack einstecken. Extrem flexible Konfiguration, geeignet für mittlere bis große Systeme.
  • Typische Wiederholungen: Siemens S7-300/400/1500, Mitsubishi Q-Serie.

VI. Tipps zur Auswahl von E/A-Modulen

Sobald CPU und Rack ausgewählt sind, folgt der nächste Schritt: die Auswahl der spezifischen E/A-Module. Hierbei sind einige technische Feinheiten zu beachten.

1. Digitale Ausgangsmodule

Bei Ausgabemodulen haben Sie in der Regel drei Optionen, von denen jede ihre spezifischen Vor- und Nachteile hat:

• Relaisausgang:
  • Vorteile: Preiswert, breiter Spannungsbereich (AC/DC-kompatibel).
  • Nachteile: Kurze Lebensdauer, langsame Reaktionszeit, ungeeignet für häufiges Schalten.
• Transistorausgang:
  • Vorteile: Extrem schnelle Reaktionszeit, lange Lebensdauer, geeignet für Servo Pulssteuerung.
  • Nachteile: Geringe Überlastfähigkeit, unterstützt typischerweise nur Gleichstrom.
• Triac (Thyristor)-Ausgang:
  • Vorteile: Schnelles Ansprechverhalten, geeignet für häufiges Schalten induktiver Lasten.
  • Nachteile: Teuer.

Mein Rat: Für selten schaltende Verbraucher wie Magnetventile ist der Relaisausgang die wirtschaftlichste Lösung. Bei der Ansteuerung von Schrittmotoren oder bei Bedarf an hochfrequenten Schaltvorgängen ist der Transistorausgang erforderlich.

2. Analoge Eingangs-/Ausgangsmodule

Bei analogen Signalen kommt es auf den Signaltyp an.

• Eingabetypen: Gängige Signale sind Strom (4–20 mA) und Spannung (0–10 V). Es gibt auch spezielle Temperaturmodule für den direkten Anschluss an Thermoelemente oder Widerstandsthermometer.
• Ausgabetypen: Ebenfalls unterteilt in Spannung und Strom, die zur Steuerung verwendet werden Frequenzumrichter oder die Position des Regelventils.

Achten Sie bei der Auswahl auf die Kanalübereinstimmung. Gängige Konfigurationen sind 2-Kanal-, 4-Kanal- oder 8-Kanal-Module.

VII. Funktionsbausteine nicht vergessen

Für grundlegende Aufgaben mag eine Standard-Logiksteuerung ausreichen, aber wenn Ihre Geräte eine präzise Positionierung oder Temperaturregelung erfordern, sind spezielle Funktionsmodule unverzichtbar.

• Positionierungsmodule: Zur Servo-/Schrittmotorsteuerung.
• Hochgeschwindigkeitszählermodule: Zum Anschluss von Encodern.
• PID-Regelmodule: Für die Regelung von Prozessen im geschlossenen Regelkreis.

Bei der Auswahl dieser Komponenten sollten Sie nicht nur auf die Hardwarekompatibilität, sondern auch auf die einfache Softwareprogrammierung achten. Die Mitsubishi FX-Serie beispielsweise ermöglicht das Lesen und Schreiben spezieller Moduldaten über eine einfache Schnittstelle. AUS Und ZU Die Anweisungen sind ein Beweis für die Benutzerfreundlichkeit der Software.

VIII. Drei allgemeine Auswahlprinzipien

Sobald die spezifischen Modelle und Spezifikationen vorläufig festgelegt sind, überprüfen Sie Ihre Stückliste anhand dieser drei Prinzipien:

1. Bequemlichkeit Vereinfachen Sie die Schaltungsentwicklung. Priorisieren Sie beispielsweise Ausgangsmodule, die Lasten direkt ansteuern können. Dadurch entfällt die Notwendigkeit vieler zwischengeschalteter Relais, was Kosten spart und potenzielle Fehlerquellen reduziert.
2. Universalität (Standardisierung) Innerhalb einer Fabrik oder eines einzelnen Projekts sollte die Vielfalt der Modultypen minimiert werden. Verwenden Sie beispielsweise nach Möglichkeit ausschließlich Module mit 24-V-Gleichstromeingang anstelle von Modulen mit 220-V-Wechselstromeingang. Dies erleichtert die Ersatzteilbeschaffung und vereinfacht die Systemübersicht für das Wartungspersonal.
3. Kompatibilität Um unerklärliche Kommunikationsausfälle zu vermeiden, empfiehlt es sich, für die Hauptkomponenten des SPS-Systems Produkte desselben Herstellers zu wählen. Obwohl moderne Protokolle offen sind, ist die Kompatibilität zwischen Geräten derselben Marke stets am zuverlässigsten.