SPS-Wissenszusammenfassung: Unverzichtbare Lektüre für Elektroingenieure!
SPS-Wissenszusammenfassung: Unverzichtbare Lektüre für Elektroingenieure!
I. Definition und Klassifizierung von SPS
SPS (Programmable Logic Controller) ist eine neue Generation universeller industrieller Steuerungsgeräte. Es basiert auf Mikroprozessoren und integriert Computertechnologie, automatische Steuerungstechnologie und Kommunikationstechnologie. Für industrielle Umgebungen konzipiert, zeichnen sich SPS durch eine leicht verständliche Programmierung in einer „natürlichen Sprache“ aus, die sich an Steuerungsprozessen und Benutzern orientiert. Sie zeichnen sich durch Einfachheit, einfache Bedienung und hohe Zuverlässigkeit aus.
SPS sind eine Weiterentwicklung der sequenziellen Relaissteuerung, basieren auf Mikroprozessoren und dienen als vielseitige automatische Steuergeräte. Schauen wir uns die Einzelheiten genauer an:
1. Definition
Eine SPS ist ein digitales elektronisches System, das für industrielle Anwendungen entwickelt wurde. Es verwendet einen programmierbaren Speicher, um Anweisungen für Operationen wie logische Berechnungen, sequentielle Steuerung, Zeitsteuerung, Zählung und Arithmetik zu speichern. Durch die Verbindung mit digitalen und analogen Ein- und Ausgängen steuern SPS verschiedene mechanische Geräte und Produktionsprozesse. Sowohl SPS als auch ihre Peripheriegeräte sind so konzipiert, dass sie sich nahtlos in industrielle Steuerungssysteme integrieren und eine Funktionserweiterung ermöglichen.
2. Klassifizierung
SPS-Produkte gibt es in einer großen Vielfalt mit unterschiedlichen Spezifikationen und Leistungsfähigkeiten. Sie werden grob nach Strukturform, funktionalen Unterschieden und der Anzahl der E/A-Punkte klassifiziert.
2.1 Klassifizierung nach Strukturform
SPS können aufgrund ihrer Strukturform in integrale und modulare Typen eingeteilt werden.
(1) Integrierte SPS
Integrierte SPS beherbergen Komponenten wie Stromversorgung, CPU und E/A-Schnittstellen in einem einzigen Schrank. Sie sind für ihre kompakte Bauweise, geringe Größe und Erschwinglichkeit bekannt. Kleine SPS übernehmen typischerweise diese integrale Struktur. Eine integrierte SPS besteht aus einer Grundeinheit (auch Haupteinheit genannt) mit verschiedenen I/O-Punkten und einer Erweiterungseinheit. Die Grundeinheit enthält die CPU, I/O-Schnittstellen, einen Erweiterungsport zum Anschluss an I/O-Erweiterungseinheiten und Schnittstellen zum Anschluss an einen Programmierer oder EPROM-Schreiber. Die Erweiterungseinheit hingegen enthält nur I/O- und Stromversorgungskomponenten ohne CPU. Grundgerät und Erweiterungsgerät werden üblicherweise über ein Flachkabel verbunden. Integrierte SPS können zur Erweiterung ihrer Fähigkeiten auch mit speziellen Funktionseinheiten wie Analogeinheiten und Positionssteuereinheiten ausgestattet werden.
(2) Modulare SPS
Modulare SPS verfügen über separate Module für jede Komponente, wie z. B. CPU-Module, E/A-Module, Stromversorgungsmodule (manchmal im CPU-Modul integriert) und verschiedene Funktionsmodule. Diese Module werden auf einem Rahmen oder einer Rückwandplatine montiert. Der Vorteil modularer SPS liegt in der flexiblen Konfiguration, die je nach Bedarf die Auswahl unterschiedlicher Systemmaßstäbe ermöglicht. Sie sind außerdem einfach zu montieren, zu erweitern und zu warten. Mittlere und große SPS sind im Allgemeinen modular aufgebaut.
Darüber hinaus kombinieren einige SPS die Eigenschaften sowohl integraler als auch modularer Typen und bilden so eine sogenannte gestapelte SPS. In gestapelten SPS sind Komponenten wie CPU, Stromversorgung und I/O-Schnittstellen unabhängige Module, die über Kabel verbunden sind und Schicht für Schicht gestapelt werden können. Dieses Design bietet nicht nur eine flexible Systemkonfiguration, sondern ermöglicht auch eine kompakte Größe.
2.2 Klassifizierung nach Funktion
Basierend auf ihren funktionalen Fähigkeiten können SPS in drei Kategorien eingeteilt werden: Low-End, Midrange und High-End.
(1) Low-End-SPS
Low-End-SPS verfügen über Grundfunktionen wie logische Operationen, Timing, Zählen, Verschieben, Selbstdiagnose und Überwachung. Sie können auch eine begrenzte Menge an analogen Ein-/Ausgaben, arithmetischen Operationen, Datenübertragung und -vergleich sowie Kommunikationsfunktionen umfassen. Diese SPS werden hauptsächlich für Einzelmaschinensteuerungssysteme verwendet, die logische Steuerung, sequentielle Steuerung oder einen geringen Anteil an analoger Steuerung umfassen.
(2) Mittelklasse-SPS
Zusätzlich zu den Funktionen von Low-End-SPS bieten Mittelklasse-SPS stärkere Fähigkeiten in den Bereichen analoge Ein-/Ausgabe, arithmetische Operationen, Datenübertragung und -vergleich, Zahlensystemkonvertierung, Remote-E/A, Unterprogramme und Kommunikationsnetzwerke. Einige verfügen möglicherweise auch über Interrupt-Steuerungs- und PID-Steuerungsfunktionen, wodurch sie für komplexe Steuerungssysteme geeignet sind.
(3) High-End-SPS
High-End-SPS verfügen zusätzlich zu den Fähigkeiten von Mittelklasse-SPS über erweiterte Funktionen wie vorzeichenbehaftete arithmetische Operationen, Matrixberechnungen, Bitlogikoperationen, Quadratwurzelberechnungen und andere spezielle Funktionsoperationen. Sie verfügen außerdem über Funktionen zur Tabellenerstellung und Tabellenübertragung. High-End-SPS verfügen über verbesserte Kommunikations- und Netzwerkfunktionen und ermöglichen eine groß angelegte Prozesssteuerung oder den Aufbau verteilter Netzwerksteuerungssysteme, wodurch eine Fabrikautomatisierung erreicht wird.
2.3 Klassifizierung nach I/O-Punkten
Abhängig von der Anzahl der E/A-Punkte können SPS in kleine, mittlere und große Kategorien eingeteilt werden.
(1) Kleine SPS
Kleine SPS verfügen über weniger als 256 E/A-Punkte, verfügen über eine einzige CPU und nutzen 8-Bit- oder 16-Bit-Prozessoren. Ihre Benutzerspeicherkapazität liegt typischerweise unter 4 KB.
(2) Mittlere SPS
Mittlere SPS verfügen über 256 bis 2048 E/A-Punkte, verwenden zwei CPUs und haben eine Benutzerspeicherkapazität von 2 KB bis 8 KB.
(3) Große SPS
Große SPS verfügen über 2048 E/A-Punkte, nutzen mehrere CPUs und sind mit 16-Bit- oder 32-Bit-Prozessoren ausgestattet. Ihre Benutzerspeicherkapazität reicht von 8 KB bis 16 KB.
Weltweit können SPS-Produkte in drei große regionale Typen eingeteilt werden: amerikanische, europäische und japanische. Amerikanische und europäische SPS-Technologien wurden unabhängig voneinander entwickelt, was zu deutlichen Unterschieden zwischen ihren Produkten führte. Die aus den USA eingeführte japanische SPS-Technologie übernimmt bestimmte Merkmale amerikanischer SPS, konzentriert sich jedoch auf kleine SPS. Während amerikanische und europäische PLCs für ihre mittelgroßen und großen Angebote bekannt sind, sind japanische PLCs für ihre kleinen Pendants bekannt.
II. Funktionen und Anwendungsgebiete von SPSen
SPS vereinen die Vorteile der Relais-Schütz-Steuerung mit der Flexibilität von Computern. Dieses einzigartige Design bietet SPS zahlreiche beispiellose Funktionen im Vergleich zu anderen Steuerungen.
1. Funktionen von SPSen
Als universelles industrielles automatisches Steuergerät, das auf Mikroprozessoren basiert und Computertechnologie, automatische Steuerungstechnologie und Kommunikationstechnologie integriert, bieten SPS eine Vielzahl von Vorteilen. Dazu gehören hohe Zuverlässigkeit, kompakte Größe, starke Funktionalität, einfaches und flexibles Programmdesign, Vielseitigkeit und einfache Wartung. Folglich finden SPS umfangreiche Anwendungen in Bereichen wie Metallurgie, Energie, Chemie, Transport und Energieerzeugung und entwickeln sich zu einer der drei Säulen moderner industrieller Steuerung (neben Robotern und CAD/CAM). Basierend auf den Eigenschaften von SPS lassen sich ihre Funktionsformen wie folgt zusammenfassen:
(1) Schaltlogiksteuerung
SPS verfügen über robuste logische Rechenfunktionen, die es ihnen ermöglichen, verschiedene einfache und komplexe logische Steuerungen durchzuführen. Dies ist der grundlegendste und am weitesten verbreitete Bereich von SPSen und ersetzt die herkömmliche Relais-Schütz-Steuerung.
(2) Analoge Steuerung
PLCs sind mit A/D- und D/A-Wandlermodulen ausgestattet. Das A/D-Modul wandelt analoge Größen aus dem Feld – wie Temperatur, Druck, Durchfluss und Geschwindigkeit – in digitale Größen um. Diese digitalen Größen werden dann vom Mikroprozessor innerhalb der SPS verarbeitet (da Mikroprozessoren nur digitale Größen verarbeiten können) und anschließend zur Steuerung verwendet. Alternativ wandelt das D/A-Modul digitale Größen wieder in analoge Größen um, um das gesteuerte Objekt zu steuern, sodass SPSen die Kontrolle über analoge Größen ausüben können.
(3) Prozesskontrolle
Moderne mittlere und große SPS verfügen typischerweise über PID-Regelmodule, die eine Prozesssteuerung im geschlossenen Regelkreis ermöglichen. Wenn eine Variable während des Regelungsprozesses abweicht, berechnet die SPS mithilfe des PID-Algorithmus den korrekten Ausgang, passt so den Produktionsprozess an und hält die Variable auf dem Sollwert. Derzeit verfügen viele kleine SPS auch über PID-Regelungsfunktionen.
(4) Zeit- und Zählkontrolle
SPS verfügen über starke Timing- und Zählfunktionen und können Dutzende, Hunderte oder sogar Tausende von Timern und Zählern bereitstellen. Die Zeitdauer und die Zählwerte können vom Benutzer beim Schreiben des Benutzerprogramms oder vom Bediener vor Ort über einen Programmierer beliebig eingestellt werden. Dies ermöglicht eine Zeit- und Zählkontrolle. Wenn Anwender hochfrequente Signale zählen müssen, können sie sich für Hochgeschwindigkeits-Zählmodule entscheiden.
(5) Sequenzielle Steuerung
In der industriellen Steuerung kann die sequentielle Steuerung durch SPS-Schrittanweisungen oder Schieberegisterprogrammierung erreicht werden.
(6) Datenverarbeitung
Moderne SPS sind nicht nur in der Lage, arithmetische Operationen, Datenübertragung, Sortierung und Tabellensuche durchzuführen, sondern können auch Datenvergleiche, Datenkonvertierungen, Datenkommunikation, Datenanzeige und -drucke durchführen. Sie verfügen über robuste Datenverarbeitungsfähigkeiten.
(7) Kommunikation und Vernetzung
Die meisten modernen SPS verfügen über Kommunikations- und Netzwerktechnologien und verfügen über RS-232- oder RS-485-Schnittstellen für die Fernsteuerung von E/A. Mehrere SPSen können vernetzt werden und miteinander kommunizieren. Signalverarbeitungseinheiten externer Geräte können Programme und Daten mit einer oder mehreren speicherprogrammierbaren Steuerungen austauschen. Programmübertragung, Datendateiübertragung, Überwachung und Diagnose können über Kommunikationsschnittstellen oder Kommunikationsprozessoren erreicht werden, die Standard-Hardwareschnittstellen oder proprietäre Kommunikationsprotokolle nutzen, um die Programm- und Datenübertragung zu erleichtern.
2. Anwendungsgebiete von SPSen
Derzeit sind SPS sowohl im Inland als auch international in verschiedenen Branchen weit verbreitet, darunter Eisen und Stahl, Erdöl, Chemie, Energie, Baustoffe, mechanische Fertigung, Automobile, leichte Textilien, Transport, Umweltschutz und kulturelle Unterhaltung. Ihre Anwendungen lassen sich grob wie folgt kategorisieren:
(1) Schaltlogiksteuerung
Dies ist der grundlegendste und am weitesten verbreitete Bereich von SPS, der herkömmliche Relaisschaltungen ersetzt, um eine logische und sequentielle Steuerung zu erreichen. SPS können sowohl für die Einzelmaschinensteuerung als auch für die Gruppensteuerung mehrerer Maschinen und automatisierte Produktionslinien wie Spritzgießmaschinen, Druckmaschinen, Heftmaschinen, Kombinationswerkzeugmaschinen, Schleifmaschinen, Verpackungsproduktionslinien und Galvanik-Montagelinien verwendet werden.
(2) Analoge Steuerung
In industriellen Produktionsprozessen sind zahlreiche sich kontinuierlich ändernde Größen wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Flüssigkeitsstand und Geschwindigkeit analoge Größen. Damit SPSen analoge Größen verarbeiten können, müssen A/D- und D/A-Wandlungen zwischen analogen und digitalen Größen durchgeführt werden. SPS-Hersteller stellen begleitende A/D- und D/A-Umwandlungsmodule her, um analoge Steuerungsanwendungen für SPSen zu ermöglichen.
(3) Bewegungssteuerung
SPSkann zur rotatorischen oder linearen Bewegungssteuerung verwendet werden. Im Hinblick auf die Konfiguration des Steuerungssystems verbanden frühe Anwendungen Positionssensoren und Aktoren direkt mit Schalt-E/A-Modulen. Heutzutage werden in der Regel spezielle Motion-Control-Module eingesetzt. Diese Module können eine einachsige oder mehrachsige Positionssteuerung für Schrittmotoren oder Servomotoren antreiben. Fast alle Produkte großer SPS-Hersteller weltweit verfügen über Bewegungssteuerungsfunktionen, die in verschiedenen Maschinen, Werkzeugmaschinen, Robotern, Aufzügen und anderen Anwendungen weit verbreitet sind.
(4) Prozesskontrolle
Unter Prozesskontrolle versteht man die Regelung analoger Größen wie Temperatur, Druck und Durchfluss. Es findet umfangreiche Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Metallurgie, Chemieingenieurwesen, Wärmebehandlung und Kesselsteuerung. Als industrielle Steuerungscomputer können SPS mit einer Vielzahl von Steuerungsalgorithmen programmiert werden, um eine Regelung im geschlossenen Regelkreis zu erreichen. Die PID-Regelung ist eine häufig verwendete Regelungsmethode in Regelsystemen mit geschlossenem Regelkreis. Sowohl mittlere als auch große SPS sind mit PID-Modulen ausgestattet, und mittlerweile verfügen auch viele kleine SPS über dieses Funktionsmodul. Die PID-Verarbeitung umfasst im Allgemeinen die Ausführung einer speziellen PID-Unterroutine.
(5) Datenverarbeitung
Moderne SPS sind mit mathematischen Operationen (einschließlich Matrixberechnung, Funktionsberechnung, logischen Operationen), Datenübertragung, Datenkonvertierung, Sortierung, Tabellensuche und Bitmanipulationsfunktionen ausgestattet. Sie können Daten erfassen, analysieren und verarbeiten. Diese Daten können mit im Speicher abgelegten Referenzwerten verglichen werden, um bestimmte Steuervorgänge durchzuführen, oder über Kommunikationsfunktionen an andere intelligente Geräte übertragen werden. Sie können auch ausgedruckt und tabellarisch dargestellt werden. Die Datenverarbeitung wird typischerweise in großen Steuerungssystemen, beispielsweise unbemannten flexiblen Fertigungssystemen, und in Prozesssteuerungssystemen, beispielsweise in der Papierherstellung, Metallurgie und der Lebensmittelindustrie, eingesetzt.
(6) Kommunikation und Vernetzung
Die SPS-Kommunikation umfasst die Kommunikation zwischen SPSen sowie zwischen SPSen und anderen intelligenten Geräten. Mit der Entwicklung der Computersteuerung haben sich Fabrikautomatisierungsnetzwerke rasant weiterentwickelt. Alle SPS-Hersteller legen großen Wert auf die Kommunikationsfähigkeiten von SPSen und haben ihre jeweiligen Netzwerksysteme eingeführt. Neu hergestellte SPS sind mit Kommunikationsschnittstellen ausgestattet, was die Kommunikation sehr komfortabel macht.
III. Grundstruktur und Funktionsprinzip von SPSen
Als industrielle Steuerungscomputer weisen SPSen in ihrer Struktur Ähnlichkeiten mit gewöhnlichen Computern auf. Aufgrund unterschiedlicher Nutzungsszenarien und Zielsetzungen ergeben sich jedoch Unterschiede.
1. Hardwarekomponenten von SPSen
Das grundlegende Strukturdiagramm eines SPS-Hosts ist in der folgenden Abbildung dargestellt: [Abbildung]
Im Diagramm besteht der SPS-Host aus einer CPU, einem Speicher (EPROM, RAM), Ein-/Ausgabeeinheiten, peripheren E/A-Schnittstellen, Kommunikationsschnittstellen und einer Stromversorgung. Bei integrierten SPS sind alle diese Komponenten im selben Schrank untergebracht. In modularen SPS ist jede Komponente unabhängig als Modul verpackt und die Module sind über ein Rack und Kabel verbunden. Alle Teile innerhalb des Hosts sind über Leistungsbusse, Steuerbusse, Adressbusse und Datenbusse miteinander verbunden. Abhängig von den Anforderungen des eigentlichen Steuerungsobjekts werden verschiedene externe Geräte zu unterschiedlichen SPS-Steuerungssystemen konfiguriert.
Zu den gängigen externen Geräten gehören Programmierer, Drucker und EPROM-Brenner. SPS können auch mit Kommunikationsmodulen ausgestattet werden, um mit übergeordneten Maschinen und anderen SPS zu kommunizieren und so ein verteiltes Steuerungssystem für SPS zu bilden.
Nachfolgend finden Sie eine Einführung in jede Komponente der SPS und ihre Rolle, um Benutzern ein besseres Verständnis der Steuerungsprinzipien und Arbeitsprozesse von SPSen zu ermöglichen.
(1) CPU
Die CPU ist die Steuerzentrale der SPS. Unter der Steuerung der CPU koordiniert und arbeitet die SPS ordnungsgemäß, um die Kontrolle über verschiedene Geräte vor Ort zu erlangen. Die aus einem Mikroprozessor und einem Controller bestehende CPU kann logische und mathematische Operationen ausführen und die Arbeit verschiedener interner Komponenten des Steuerungssystems koordinieren. Der Controller verwaltet den ordnungsgemäßen Betrieb aller Teile des Mikroprozessors. Seine Hauptfunktion besteht darin, Anweisungen aus dem Speicher zu lesen und auszuführen.
(2) Erinnerung
SPS sind mit zwei Arten von Speicher ausgestattet: Systemspeicher und Benutzerspeicher. Der Systemspeicher speichert Systemverwaltungsprogramme, auf die Benutzer nicht zugreifen oder die sie nicht ändern können. Der Benutzerspeicher speichert kompilierte Anwendungsprogramme und Arbeitsdatenzustände. Der Teil des Benutzerspeichers, der Arbeitsdatenzustände speichert, wird auch als Datenspeicherbereich bezeichnet. Es umfasst Bildbereiche für Eingabe-/Ausgabedaten, Datenbereiche für voreingestellte und aktuelle Werte für Timer/Zähler sowie Pufferzonen zum Speichern von Zwischenergebnissen.
Der SPS-Speicher umfasst hauptsächlich die folgenden Typen:
Nur-Lese-Speicher (ROM)
Programmierbarer Nur-Lese-Speicher (PROM)
Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM)
Elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EEPROM)
Direktzugriffsspeicher (RAM)
(3) Eingabe-/Ausgabemodule (E/A).
① Schalteingangsmodul
Zu den Schalteingangsgeräten gehören verschiedene Schalter, Tasten, Sensoren usw. SPS-Eingangstypen können Gleichstrom, Wechselstrom oder beides sein. Die Spannungsversorgung für den Eingangskreis kann extern oder in manchen Fällen auch intern von der SPS bereitgestellt werden.
② Schaltausgangsmodul
Das Ausgabemodul wandelt die von der CPU bei der Ausführung des Benutzerprogramms ausgegebenen TTL-Level-Steuersignale in Signale um, die am Produktionsstandort zum Ansteuern bestimmter Geräte erforderlich sind, und betätigt so den Ausführungsmechanismus.
(4) Programmierer
Der Programmierer ist ein unverzichtbares externes Gerät für SPSen. Es ermöglicht Benutzern, Programme in den Benutzerprogrammspeicher der SPS einzugeben, Programme zu debuggen und die Programmausführung zu überwachen. Programmierer können programmatisch in drei Typen eingeteilt werden:
Handheld-Programmierer
Grafischer Programmierer
Allgemeiner Computerprogrammierer
(5) Stromversorgung
Das Netzteil wandelt externen Strom (z. B. 220 V AC) in interne Arbeitsspannung um. Die extern angeschlossene Stromversorgung wird über einen speziellen Schaltspannungsregler innerhalb der SPS in die von den internen Schaltkreisen der SPS benötigte Arbeitsspannung (z. B. DC 5 V, ±12 V, 24 V) umgewandelt. Es bietet außerdem eine 24-V-DC-Stromversorgung für externe Eingabegeräte (z. B. Näherungsschalter) (nur für Eingabepunkte). Die Stromversorgung zum Antrieb von SPS-Lasten erfolgt über...
(6) Peripherieschnittstellen
Peripherieschnittstellenschaltungen verbinden Handprogrammierer oder andere grafische Programmiergeräte und Textanzeigen und können über die Peripherieschnittstelle ein SPS-Steuerungsnetzwerk bilden. SPS können über ein PC/PPI-Kabel oder eine MPI-Karte über eine RS-485-Schnittstelle mit Computern verbunden werden und ermöglichen so Programmierung, Überwachung, Vernetzung und andere Funktionen.
2. Softwarekomponenten von SPSen
SPS-Software umfasst Systemprogramme und Anwenderprogramme. Systemprogramme werden von SPS-Herstellern entworfen und geschrieben und im Systemspeicher der SPS gespeichert. Benutzer können sie nicht direkt lesen, schreiben oder ändern. Zu den Systemprogrammen gehören typischerweise unter anderem Systemdiagnoseprogramme, Eingabeverarbeitungsprogramme, Kompilierungsprogramme, Informationsübertragungsprogramme und Überwachungsprogramme.
USer-Programme werden von Benutzern mithilfe von SPS-Programmiersprachen basierend auf den Steuerungsanforderungen zusammengestellt. Bei SPS-Anwendungen ist der kritischste Aspekt die Verwendung von SPS-Programmiersprachen zum Schreiben von Benutzerprogrammen zum Erreichen von Steuerungszielen. Da SPS speziell für die industrielle Steuerung entwickelt wurden, sind ihre Hauptnutzer Elektrotechniker. Um ihren traditionellen Gewohnheiten und Lernfähigkeiten gerecht zu werden, verwenden SPSen hauptsächlich spezielle Sprachen, die im Vergleich zu Computersprachen einfacher, verständlicher und intuitiver sind.
Grafische Anweisungsstruktur
Explizite Variablen und Konstanten
Vereinfachte Programmstruktur
Vereinfachter Prozess zur Generierung von Anwendungssoftware
Erweiterte Debugging-Tools
3. Grundlegendes Funktionsprinzip von SPSen
Der SPS-Scanvorgang ist hauptsächlich in drei Phasen unterteilt: Eingabeabtastung, Ausführung des Benutzerprogramms und Ausgabeaktualisierung. Wie in der Abbildung gezeigt: [Abbildung]
Eingabe-Sampling-Phase
Während der Eingangsabtastphase liest die SPS nacheinander alle Eingangszustände und Daten scannend aus und speichert sie in den entsprechenden Einheiten des I/O-Abbildbereichs. Nachdem die Eingabeabtastung abgeschlossen ist, geht der Prozess zu den Phasen der Benutzerprogrammausführung und der Ausgabeaktualisierung über. Selbst wenn sich in diesen beiden Phasen der Eingangsstatus und die Daten ändern, werden die Status und Daten in den entsprechenden Einheiten des E/A-Abbildbereichs nicht geändert. Wenn es sich bei dem Eingang um ein Impulssignal handelt, muss die Impulsbreite daher größer als ein Abtastzyklus sein, um sicherzustellen, dass der Eingang unter allen Umständen gelesen werden kann.
Ausführungsphase des Benutzerprogramms
Während der Ausführungsphase des Anwenderprogramms scannt die SPS das Anwenderprogramm (Kontaktplan) immer in einer Reihenfolge von oben nach unten. Beim Scannen jedes Kontaktplans wird zunächst der Steuerkreis gescannt, der durch die Kontakte auf der linken Seite des Kontaktplans gebildet wird. Logische Operationen werden im Steuerkreis in der Reihenfolge von links nach rechts und von oben nach unten ausgeführt. Basierend auf den Ergebnissen der logischen Operationen wird dann der Status des entsprechenden Bits im System-RAM-Speicherbereich für die logische Spule aktualisiert, oder der Status des entsprechenden Bits im E/A-Bildbereich für die Ausgangsspule wird aktualisiert, oder es wird bestimmt, ob die im Kontaktplan angegebenen speziellen Funktionsanweisungen ausgeführt werden sollen.
Das heißt, während der Ausführung des Benutzerprogramms bleiben nur die Status und Daten der Eingabepunkte im E/A-Abbildbereich unverändert, während sich die Status und Daten anderer Ausgabepunkte und Softgeräte im E/A-Abbildbereich oder System-RAM-Speicherbereich ändern können. Weiter oben positionierte Kontaktplandiagramme wirken sich auf die Ausführungsergebnisse von niedrigeren Kontaktplandiagrammen aus, die auf diese Spulen oder Daten verweisen. Umgekehrt wirken sich die aktualisierten Zustände oder Daten logischer Spulen in niedrigeren Kontaktplänen erst im nächsten Scanzyklus auf höhere Kontaktpläne aus.
Ausgabeaktualisierungsphase
Wenn der Scan des Benutzerprogramms abgeschlossen ist, tritt die SPS in die Phase der Ausgabeaktualisierung ein. Während dieser Phase aktualisiert die CPU alle Ausgangs-Latch-Schaltkreise entsprechend den Status und Daten im I/O-Bildbereich und steuert die entsprechenden Peripheriegeräte über die Ausgangsschaltkreise an. Dies markiert die wahre Ausgabe der SPS.
Phänomen der Eingabe-/Ausgabeverzögerung
Aus dem SPS-Arbeitsprozess lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:
Programme werden scannend ausgeführt, was zu einer inhärenten Verzögerung in der logischen Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen führt. Je länger der Scanzyklus ist, desto schwerwiegender ist die Verzögerung.
Zusätzlich zu der Zeit, die von den drei Hauptarbeitsphasen – Eingabe-Sampling, Benutzerprogrammausführung und Ausgabeaktualisierung – beansprucht wird, umfasst der Scan-Zyklus auch die Zeit, die von Systemverwaltungsvorgängen verbraucht wird. Die für die Programmausführung benötigte Zeit hängt von der Programmlänge und der Komplexität der Befehlsoperationen ab, während andere Faktoren relativ konstant bleiben. Scanzyklen liegen typischerweise in der Größenordnung von Millisekunden oder Mikrosekunden.
Während der n-ten Scan-Ausführung sind die Eingangsdaten, auf die man sich verlässt, der abgetastete Wert X, der während der Abtastphase dieses Scan-Zyklus erhalten wurde. Die Ausgabedaten Y(n) basieren sowohl auf dem Ausgabewert Y(n-1) aus dem vorherigen Scan als auch auf dem aktuellen Ausgabewert Yn. Das an den Ausgangsanschluss gesendete Signal stellt das Endergebnis Yn dar, nachdem alle Berechnungen während dieses Zyklus ausgeführt wurden.
Die Verzögerung der Eingabe-/Ausgabe-Reaktion hängt nicht nur von der Scanmethode ab, sondern auch von der Anordnung des Programmdesigns.