Ratgeber
Der Siemens Simatic S7 ist ein SPS-Controller. SPS steht für speicherprogrammierbare Steuerung. Im englischsprachigen Bereich sind diese Geräte als Programmable Logic Controller (kurz PLC) bekannt. Ein SPS-Controller wird zur Steuerung und Regelung einer Maschine oder Anlage eingesetzt, beispielsweise in der Industrie zur Steuerung von Förderbändern. Der Controller wird digital programmiert, um die zu steuernde Maschine mit Software-Logik bedienen zu können. Eine speicherprogrammierbare Steuerung arbeitet also mittels Software, während eine konventionelle verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) Endgeräte festverdrahtet über Relais und Schütze steuert. Im Gegensatz zur VPS ist eine SPS sehr dynamisch und kann individuell auf das jeweilige Anwendungsszenario angepasst werden, ohne dass sie montageseitig umgebaut werden muss. Eine SPS hat ein fest installiertes Betriebssystem und kann vom Anwender geschriebene Programme über eine Speicherschnittstelle laden.
Ein SPS-Controller hat in der Regel Eingänge für Sensoren und Ausgänge für die sogenannten Aktoren. Anhand der Eingabewerte, welche die Sensoren dem SPS-Controller liefern, werden über die CPU-Einheit des SPS-Controllers die Aktoren angesteuert. So können etwa Fenster geöffnet werden, sobald eine bestimmte Temperatur erreicht wird, oder Förderbänder in Gang gebracht werden, wenn ein gewisses Gewicht aufliegt. Mithilfe von Analog-Digital-Wandlern (ADU) können nicht nur Signale von digitalen, sondern auch von analogen Sensoren verarbeitet werden. Analoge Ausgangsbaugruppen können wiederum über Digital-Analog-Umsetzern (DAUs) angesteuert werden.
Heutige SPS-Controller werden über eine Versorgungsspannung von 24 Volt Gleichstrom gespeist. Die CPU ist die zentrale Recheneinheit des SPS-Controllers und umfasst neben dem Prozessor die notwendigen Speicherbereiche für die Firmware und die Datenverarbeitung.
Auch wenn es eine Norm für SPS-Controller gibt, die IEC 61131, halten sich die meisten SPS-Systeme nicht strikt daran, so dass Systeme verschiedener Hersteller in der Regel nicht zueinander kompatibel sind.
Ein SPS-Controller hat in der Regel Eingänge für Sensoren und Ausgänge für die sogenannten Aktoren. Anhand der Eingabewerte, welche die Sensoren dem SPS-Controller liefern, werden über die CPU-Einheit des SPS-Controllers die Aktoren angesteuert. So können etwa Fenster geöffnet werden, sobald eine bestimmte Temperatur erreicht wird, oder Förderbänder in Gang gebracht werden, wenn ein gewisses Gewicht aufliegt. Mithilfe von Analog-Digital-Wandlern (ADU) können nicht nur Signale von digitalen, sondern auch von analogen Sensoren verarbeitet werden. Analoge Ausgangsbaugruppen können wiederum über Digital-Analog-Umsetzern (DAUs) angesteuert werden.
Heutige SPS-Controller werden über eine Versorgungsspannung von 24 Volt Gleichstrom gespeist. Die CPU ist die zentrale Recheneinheit des SPS-Controllers und umfasst neben dem Prozessor die notwendigen Speicherbereiche für die Firmware und die Datenverarbeitung.
Auch wenn es eine Norm für SPS-Controller gibt, die IEC 61131, halten sich die meisten SPS-Systeme nicht strikt daran, so dass Systeme verschiedener Hersteller in der Regel nicht zueinander kompatibel sind.
Wichtige Merkmale beim Kauf eines SPS-Controllers sind:
- Zykluszeit: Sie gibt die Zeit für die Abarbeitung eines Zyklus einschließlich aller anfallenden Kommunikationsaufgaben an. Ein Zyklus besteht aus der Anlaufroutine der CPU, dem Einlesen aller Eingänge und somit auch der Daten der dort anliegenden Sensoren, der seriellen Bearbeitung der Programmanweisungen, dem Schreiben der Programmergebnisse in die Merker- und Datenbereiche des Controllers und der Ansteuerung der Ausgangsbaugruppen beziehungsweise Aktoren. Normalerweise bricht die CPU einen Zyklus ab, wenn er zu lange dauert, was beispielsweise der Fall sein kann, wenn das auszuführende Programm schlecht geschrieben ist.
- Reaktionszeit: Die Reaktionszeit gibt die Dauer zwischen der Änderung eines Eingangssignals und der Reaktion durch Änderung des Ausgangssignals an. Sie zeigt also an, wie schnell die Aktoren, die an den Ausgängen des SPS-Controllers angeschlossen sind, auf neu gemessene Werte der Sensoren reagieren können.
- Größe des Merkerbereichs: Der Merkerbereich dient zur Ablage von Zwischenergebnissen. Ein Merker enthält Daten in den Formaten Bit, Byte, WORD oder DWORD. Je größer der Bereich, desto mehr Daten können dort abgelegt werden. Das beeinflusst die Geschwindigkeit der Zyklusverarbeitung und resultiert bei den meisten Programmen in einer geringeren Zykluszeit.
- Bedienbarkeit des HMI: HMI steht in diesem Zusammenhang für Human Machine Interface und wird heutzutage häufig in Form eines Touchscreens realisiert. Das Simatic S7 System bietet ein fortgeschrittenes System mit verschiedenen Panels mit Widescreen-Displays in den Größen 4, 7, 9 und 12 Zoll. Die HMI-Systeme können kombiniert sowohl mithilfe von Tasten als auch durch Touch-Eingabe bedient werden. Weiterhin lassen sich über eine USB-Schnittstelle Mäuse, Tastaturen sowie Barcodescanner anschließen und Daten auf einen USB-Stick übertragen.
- Skalierbarkeit des SPS-Systems: Siemens bietet mit seinen zahlreichen Erweiterungs- und Steuerungsmodulen ein skalierbares System, das ohne großen Aufwand per Hutschienensystem montiert werden kann.
- Zulassungen des SPS-Systems: Die Erfüllung nationaler und internationaler Normen des SPS-Systems steht zunehmend im Vordergrund. Dazu gehören etwa die Normungen cULus, FM, ATEX, CE sowie EN 61000-6-4, 60068-2-X und 61131-2
Software und Ersatzteile
Siemens Simatic S7 ist das bekannteste und am weitesten verbreitete SPS. In der älteren Baureihe S7-200 wird der Controller mit der Software Step7MicroWin ausgeliefert, in den Baureihen S7-300 und S7-400 mit der heutzutage gängigen Software Step7. Die Nachfolger der noch bis 2020 verfügbaren Baureihe S7-300 steht mit der Baureihe S7-1500 schon bereit. Für S7-300 wird es noch zehn Jahre nach Produktionsstopp eine Ersatzteilzusicherung geben.
Besonderheiten
Ab der Baureihe S7-400 lassen sich Signalbaugruppen unter Spannung ziehen und stecken (Hot-Swapping). Anlagenerweiterungen und Baugruppentauschvorgänge sind somit während des Betriebs möglich.
Das Siemens S7-System zeichnet sich durch eine sehr hohe Kapazität für E/A-Peripherie aus, unter anderem, weil man die CPU-Leistung ab der Baureihe S/7-400 dynamisch skalieren kann. Dazu können Sie mehrere CPUs in einem einzigen Zentralgerät betreiben. Hierbei ist es möglich, einzelne komplexe Tätigkeiten wie Steuern, Rechnen oder Kommunizieren jeweils einzelnen CPUs dediziert zuzuteilen, wodurch eine Optimierung der Prozessorzeit erreicht wird. Das führt zu einer besseren Performance unter hoher Auslastung.
Zudem ist eine effiziente Projektierung und Diagnose der Programmierarbeit dank der SIMATIC Engineering Tools möglich. Diese bieten diverse Hochsprachen wie SCL sowie grafische Engineering Tools für Ablaufsteuerungen, Zustandsgraphen und Technologiepläne.
Mit der Siemens-eigenen Mehrpunktschnittstelle MPI (Multipoint Interface) ist es außerdem möglich, große Entfernungen in der Datenkommunikation zu überwinden. Dazu können zwischen zwei MPI-Teilnehmern bis zu neun Repeater geschalten werden.
Programmierung
Im Gegensatz zur Norm IEC 61131 muss man beim Siemens Simatic S7 als Programmierer globale Daten selbst adressieren. Hierzu stehen unterschiedliche Speicherbereiche zur Verfügung. Ein- und Ausgangssignale werden außerdem nicht durch das Deklarieren von Variablen auf Adressen, sondern durch das Ansprechen der Werte in den Prozessabbildern PAE und PPA mit den Operanden E und A sowie deren Adressen eingebunden. Im Gegensatz zu SPS-Systemen, die sich an der Norm IEC 61131 orientieren, spielt die Variablendeklaration bei Step7 also kaum eine Rolle.
- S7-300: für Kleinsteuersysteme im unteren und mittleren Leistungsbereich. Hierunter fallen beispielsweise Textilmaschinen, Verpackungsmaschinen, allgemeiner Maschinen- und Steuerungsbau, Werkzeugmaschinenbau, Installationstechnik sowie Anwendungen der Elektroindustrie und im Elektrohandwerk.
- S7-400: für den mittleren und oberen Leistungsbereich. Die Baureihe S7-400 zeichnet sich durch die Möglichkeit zur Redundanz der E/A-Peripherie aus. Somit können beispielsweise der Ausfall einer CPU, eines PROFIBUS oder einer Signalbaugruppe toleriert werden.
- S7-1500: Diese Serie verfügt über umfassende integrierte Safety- und Security-Funktionen. Dazu gehört etwa ein passwortbasierter Know-how-Schutz gegen unberechtigtes Auslesen und Verändern von Programmbausteinen sowie ein Kopierschutz gegen deren unerlaubte Vervielfältigung. Zudem gibt es mit dieser Baureihe zum ersten Mal ein Berechtigungskonzept mit Berechtigungsstufen sowie einen Schutz vor der Manipulation der Engineering-Daten. Ethernet-Verbindungen können durch eine integrierte Firewall und durch den Aufbau von VPN-Verbindungen abgesichert werden. Außerdem ist in dieser Baureihe die Systemanalyse bereits in die CPU integriert. Dadurch werden Systeminformationen direkt von der Zentraleinheit bereitgestellt und können dann am HMI, TIA-Portal, per Display oder über den integrierten Webserver ausgelesen werden.