Speicherprogrammierbare Steuerung - SPS

Praktisches Programmieren mit STEP5 und STEP7 nach IEC 61131

Herbert Bernstein

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2018
• ISBN drucken: 9783110555981
• eBook-ISBN: 9783110556056
• Auflage: 1
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Electrical Engineering & Telecommunications

Dieses Buch behandelt die Programmierung und Anwendung mit STEP5, STEP7 und die SPS-Programmierung nach IEC 61131-3. Neben den klassischen Programmiersprachen AWL, FUP und KOP wird auch GRAPH für Ablaufsteuerungen behandelt und beschrieben. Der Schwerpunkt liegt in der ausführlichen Darstellung und Beschreibung zahlreicher Steuerungsaufgaben mit einer umfangreichen Kommentierung des zugehörigen Steuerungsprogramms. Für mehrere Beispielaufgaben werden Steuerungsprogramme in unterschiedlichen Programmiersprachen vorgestellt, was dem Leser gute Vergleichsmöglichkeiten eröffnet.

Dipl.-Ing Herbert Bernstein ist ein bekannter Fachbuchautor und unterrichtete als Dozent an einer Technikerschule und der IHK die Fächer Messtechnik, Steuerungs- und Regelungstechnik und Automatisierungstechnik.

1Grundlagen der SPS-Technik

Die Entwicklung im Rahmen der Fabrikautomation der letzten 30 Jahre wurdewesentlich durch den Einsatz von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) geprägt. Diese Systeme haben sich aus der ursprünglichen Funktion, der Substitution von klassischen Schütz- und Relaissteuerungen, zu einem universellen Automatisierungsinstrument und Anlagen entwickelt. SPS-Systeme bieten heute durch ihre Kompaktheit durchgehend einen modularen Aufbau mit einer großen Anzahl aufgabenspezifischer Peripheriebaugruppen und ermöglichen die Lösung von Steuerungs- und Regelungsaufgaben, die bis 1985 den Prozessrechnern vorbehalten waren. Danach wurden die Prozessrechner von den PC-Systemen abgelöst.

Dabei wurde der signifikante Anspruch einer einfachen und anwenderfreundlichen Programmierung konsequent beibehalten, der letztendlich die hohe Akzeptanz bei Anlagenherstellern und -betreibern bewirkt hat. Das vorliegende Buch vermittelt Wissen über den Aufbau und die Funktion und gibt Hinweise über die Projektierung, Programmierung und Installation von SPS-Systemen.

Ende des vorletzten Jahrhunderts (vor 1900) verbesserte sich die Antriebstechnik von einfachen Produktionsmaschinen wesentlich durch den Einsatz von Elektromotoren. Mit dem Elektromotor stand ein universell einsetzbares Antriebsinstrument zur Verfügung, das die natürlichen Antriebskräfte Muskel-, Wind- und Wasserkraft sowie die Dampfkraft rasch substituierte. Mit den etwa gleichzeitig entstandenen Relais und der dadurch möglichen elektrischen Steuerungstechnik wurde eine zweite industrielle Revolution (um 1930) ausgelöst.

Klassische Schütz- und Relaissteuerungen, auch verbindungsprogrammierte Steuerungen (VPS) genannt, gliedern sich in drei Ebenen, wie Abb. 1.1 zeigt.

Abb. 1.1: Aufbau von verbindungsprogrammierten Steuerungen.

In der Eingabeebene erfolgen die Erfassung, Aufbereitung und Anpassung der aus der zu steuernden Maschine oder Anlage kommenden Signale an die Verarbeitungsebene.

Nach einem in der Verdrahtung festgelegten programmtechnischen Ablauf werden in der Verarbeitungsebene die von der Eingabeebene kommenden Signale verknüpft. Zu den reinen Steuerfunktionen des Relais, nämlich Verknüpfen und Auslösen, kommen diverse Zeit- und Zählfunktionen, die mit elektromechanischen Bauelementen realisiert werden.

Die Verknüpfungsergebnisse werden in der Ausgabeebene über Hilfs- und Leistungsschütze an die zu steuernden Komponenten wie Motoren, Kupplungen und Ventile usw. angepasst.

Als Beispiel für eine verbindungsprogrammierte Steuerung dient eine Stern-Dreieck-Schaltung von Drehstrom-Asynchronmotoren. Die Stern-Dreieck-Schaltung von Drehstrom-Asynchronmotoren stellt eine Folgeschaltung dar. Der Sternanlauf vermindert den Anzugsstrom des Asynchronmotors. Die Schaltfolge „Aus“ – „Stern“ – „Dreieck“ kann durch eine handbetätigte Schützsteuerung erfolgen oder durch eine automatische Stern-Dreieck-Schützschaltung mit Zeitrelais.

Ein thermisches Überstromrelais schützt die Motorwicklung bei Überlastung oder Ausfall eines Außenleiters. Es wird unter normalen Betriebsbedingungen nach dem Netzschütz in die Motorleitung eingebaut und auf den Wert des Strangstroms (0,58 ⋅ In) eingestellt. Das Überstromrelais liegt dann in Reihe mit der Wicklung und bietet auch Schutz in der Anlaufstufe (Sternschaltung). Abb. 1.2 zeigt einen Hauptstromkreis einer Stern-Dreieck-Schützschaltung für einen Asynchronmotor.

Abb. 1.2: Hauptstromkreis einer Stern-Dreieck-Schützschaltung für einen Asynchronmotor.

Abb. 1.3: Steuerstromkreis für eine automatische Stern-Dreieck-Schützsteuerung mit Kontakttabelle. Motorsicherung, dreipolig; Steuerstromkreissicherung; Thermisches Überstromrelais; K1 Netzschütz; K2 Sternschütz; K3 Dreieckschütz; M1 Drehstrommotor; S1 Taster „Aus“; S2 Taster „Anlauf“ (Sternschaltung); S3 Taster „Betrieb“ (Dreieckschaltung).

Die Arbeitsweise einer VPS kann man anhand des Steuerstromkreises für eine automatische Stern-Dreieck-Wende-Schützsteuerung erkennen, wie Abb. 1.3 zeigt.

Der Öffnerkontakt 95, 96 des Überstromrelais unterbricht bei Störung den Steuerstromkreis. Zur Störungsanzeige wird ein Schließer 97, 98 verwendet. Häufig verwenden Überstromrelais nur einen Wechsler und die Zuleitung muss dann auf die Klemme 95 geführt werden.

Bei Schweranlauf oder bei langer Anlaufzeit kann man das Überstromrelais auch vor dem Netzschütz, d. h. in die Zuleitung, einbauen. Der Auslösestrom ist dann auf den Motornennstrom einzustellen. Der Drehstrommotor ist in dieser Schaltung jedoch nur in der Dreieckschaltung (Nennbetrieb) gegen Überlastung geschützt.

Bei Sternschaltung ist dieser Schutz aber nicht ausreichend. Für Motoren mit langer Anlaufzeit wird deshalb bei automatischem Stern-Dreieck-Anlauf das Überstromrelais in die Motorleitung, d. h. nach dem Netzschütz, eingebaut und während des Anlaufs durch ein zusätzliches Schütz überbrückt. Nach dem Hochlauf wird das Überbrückungsschütz abgeschaltet. Für besonders schwere Anlaufbedingungen und bei Motoren großer Leistung werden Thermistor-Schutzeinrichtungen (Motorvollschutz) verwendet.

Wird der Taster S2 betätigt, zieht das Sternschütz K2 (4) an und betätigt seinen Schließer 13, 14(5). Damit wird das Netzschütz K1 eingeschaltet. Der Öffner 21, 22 von K2 (6) verhindert, dass gleichzeitig das Dreieckschütz K3 betätigt wird. Der Schließer 13, 14 von K1 (6) hält in dieser Schaltstellung Netzschütz K1 und Sternschütz K2 an Spannung. Hat der Motor seine Nenndrehzahl erreicht, wird Taster S3 betätigt. Er unterbricht den Stromkreis für das Sternschütz, K2 fällt ab. Der in seine Ruhelage zurückgehende Öffner 21, 22 von K2 (6) schaltet das Dreieckschütz K3 an Spannung. Der Öffner 21, 22 von K3 (4) verriegelt K2 gegen gleichzeitigen Betrieb mit dem Dreieckschütz K3.

Sollen die Betriebszustände „Anlauf“ (Sternschaltung) und „Betrieb“ (Dreieckschaltung) angezeigt werden, schaltet man entsprechende Meldeleuchten parallel zu den Schützen K2 und K3. Mit Taster S1 wird die Steuerung abgeschaltet.

Im Stromlaufplan der Steuerung verwendet der Praktiker unter den Schaltzeichen der Spulen K2, K1 und K3 eine Kontakttabelle. Kontakttabellen zeigen übersichtlich, in welchem Stromweg (Strompfad) die Schaltkontakte des entsprechenden Schützes zu finden sind. Die Darstellung ist durch Ziffern möglich oder durch die Abbildung der Kontakte selbst. In beiden Darstellungen sind die Stromwege benannt, in denen die Haupt- und Hilfskontakte im Stromlaufplan zu suchen sind. Für die Hauptkontakte, z. B. für K2, ist die Zahl 32 dreimal aufgeführt. Bei der Stromwegnummerierung ist im Hauptstromkreis die Anzahl der Kontakte vor die Stromwegnummer gesetzt. Im Hauptstromkreis bedeutet die Ziffernfolge 32 also 3 Schließer in Stromweg 2.

Wird bei einer automatischen Stern-Dreieck-Schützschaltung die Umschaltung der Drehrichtung benötigt, so sind außer Sternschütz, Dreieckschütz und Zeitrelais zwei Netz...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhalt
• 1 Grundlagen der SPS-Technik
• 2 Hard- und Software für eine speicherprogrammierbare Steuerung
• 3 Steueranweisungen für eine SPS
• 4 Programmorganisation
• 5 SPS-Sprache S5 mit PG-2000
• 6 Entwicklung von Steuerkonzepten
• 7 Programmieren in STEP7
• Literaturverzeichnis
• Stichwortverzeichnis