Lektion 5.3

Digitale Logik und speicherprogrammierbare Steuerungen

17 min Lesezeit

Eine Presse in einer Fabrik darf nur zudrücken, wenn das Schutzgitter geschlossen ist und der Bediener beide Tasten gedrückt hält. So sind seine Hände nicht im Gefahrenbereich. Eine Maschine muss solche Regeln ohne Nachdenken und ohne Fehler prüfen.

Wie übersetzt man Regeln mit „und“, „oder“ und „nicht“ in Schaltungen und Programme? Und wie steuert ein Computer, der für Fabriken gebaut ist, eine ganze Anlage?

Definition

Automatisierungsprozess

Automatisieren heißt, einen Ablauf von einer Anlage selbstständig ausführen zu lassen. Einen Automatisierungsprozess entwickelst du in vier Schritten:

  • Aufgabe beschreiben: Was soll die Anlage tun, und was darf sie nie tun?
  • Ein- und Ausgänge festlegen: Welche Sensoren und Taster liefern Signale? Welche Aktoren (Motoren, Ventile, Lampen) werden geschaltet?
  • Ablauf visualisieren: als Flussdiagramm, Funktionsplan oder Kontaktplan zeichnen (siehe unten).
  • Programmieren und testen: Das Programm in die Steuerung laden und alle Fälle ausprobieren.
Definition

Digitale Logik: AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR

Ein digitales Signal mit nur zwei Werten, 0 und 1, heißt binär. Logische Verknüpfungen machen aus Bits ein neues Bit. Du kennst UND, ODER und NICHT aus der Informatik. Technisch heißen sie oft AND, OR und NOT.

  • AND (UND): 1, wenn beide Eingänge 1 sind.
  • OR (ODER): 1, wenn mindestens ein Eingang 1 ist.
  • NOT (NICHT): kehrt um, aus 0 wird 1 und aus 1 wird 0.
  • NAND: NOT AND, also das Gegenteil von AND.
  • NOR: NOT OR, also das Gegenteil von OR.
  • XOR (exklusives ODER): 1, wenn die beiden Eingänge verschieden sind.
ABANDORNANDNORXOR
0000110
0101101
1001101
1111000

Bei n Eingängen hat eine Wahrheitstabelle 2n2^n Zeilen.

Beispiel

Warnlampe einer Anlage

Eine Warnlampe L soll leuchten, wenn die Anlage eingeschaltet ist (E = 1) und außerdem die Tür offen ist (A = 1) oder die Temperatur zu hoch ist (B = 1). Stelle die Wahrheitstabelle von L = E AND (A OR B) auf.

Rechne zuerst die Klammer A OR B aus, dann verknüpfe sie mit E:

EABA OR BL
00000
00110
01010
01110
10000
10111
11011
11111

Bei ausgeschalteter Anlage (E = 0) bleibt die Lampe immer aus. Bei E = 1 leuchtet sie, sobald A oder B 1 ist.

Eine Wechselschaltung im Treppenhaus ist dagegen ein XOR: Die Lampe leuchtet, wenn die Stellungen der beiden Schalter verschieden sind. Jedes Umlegen eines Schalters ändert den Zustand der Lampe.

Die Grundgatter ausprobieren

Klicke auf die Eingänge A und B, um sie zwischen 0 und 1 umzuschalten. Y1 gehört zum UND-Gatter, Y2 zum ODER-Gatter, Y3 zum NICHT-Gatter, das nur A auswertet. Unter der Zeichnung ist die Zeile der Wahrheitstabelle hervorgehoben, die gerade gilt. Vergleiche sie mit der Tabelle oben.

Definition

Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, englisch PLC) ist ein robuster Computer für Maschinen und Anlagen. Sie hat Eingänge für Sensoren und Taster, Ausgänge für Aktoren und einen Speicher für das Programm. Der Name heißt: Das Programm steht im Speicher und lässt sich ändern. Bei einer festverdrahteten Steuerung aus Relais (elektrisch gesteuerten Schaltern) müsste man dafür Leitungen umlegen.

Eine SPS arbeitet in Zyklen, die meist nur Millisekunden dauern:

  • Eingänge einlesen: Der Zustand aller Eingänge wird festgehalten.
  • Programm abarbeiten: Daraus werden alle Ausgänge berechnet.
  • Ausgänge setzen: Die berechneten Werte schalten die Aktoren. Dann beginnt der nächste Zyklus.
Definition

Signalarten und Wandler

  • Ein binäres Signal hat nur zwei Zustände: Taster gedrückt oder nicht, Lichtschranke unterbrochen oder frei. In der Industrie steht oft 24 V für 1 und 0 V für 0.
  • Ein analoges Signal kann jeden Wert in einem Bereich annehmen, etwa Temperatur oder Füllstand. Sensoren liefern es oft als Spannung von 0 bis 10 V oder als Strom von 4 bis 20 mA.
  • Ein digitales Signal ist eine Zahl aus Bits, also ein Wert in Stufen. Binär ist der Sonderfall mit nur zwei Stufen.

Ein AD-Wandler macht aus einem analogen Signal eine Zahl, ein DA-Wandler aus einer Zahl wieder eine Spannung, etwa um die Drehzahl eines Motors vorzugeben. Mit n Bit unterscheidet ein Wandler 2n2^n Stufen.

Definition

Kontaktplan und Funktionsplan

Zwei grafische Darstellungen für SPS-Programme:

  • Der Kontaktplan (KOP) ähnelt einem Stromlaufplan. Links und rechts verlaufen Stromschienen, dazwischen liegt in jeder Zeile ein Strompfad aus Kontakten, der in einer Spule (dem Ausgang) endet. Ein Schließer (zwei senkrechte Striche) lässt Strom durch, wenn sein Eingang 1 ist, ein Öffner (zwei Striche mit Schrägstrich), wenn er 0 ist. Kontakte in Reihe ergeben UND, parallele Kontakte ergeben ODER, ein Öffner wirkt wie NICHT.
  • Der Funktionsplan (FUP) zeichnet die Verknüpfungen als Kästchen wie Gatter. Ein Kästchen mit & ist ein UND, eines mit ≥1 ein ODER. Ein kleiner Kreis an einem Anschluss negiert das Signal.
Beispiel

Selbsthaltung eines Förderbands

Ein Förderband soll mit dem Starttaster S1 anlaufen und nach dem Loslassen weiterlaufen. Der Stopptaster S2 schaltet es aus. Beide Taster liefern 1, solange sie gedrückt sind. Der Ausgang Q schaltet den Motor. Entwirf die Logik und prüfe sie.

Q soll 1 werden, wenn S1 gedrückt ist, und 1 bleiben, wenn Q schon 1 ist. Das ist die Selbsthaltung: S1 OR Q. Ist S2 gedrückt, muss Q 0 sein: AND NOT S2. Die Logik lautet Q = (S1 OR Q) AND NOT S2.

Im Kontaktplan stehen ein Schließer S1 und parallel dazu ein Schließer Q. In Reihe dahinter folgen ein Öffner S2 und die Spule Q.

Prüfung (Q vorher ist der Wert aus dem letzten Zyklus):

S1S2Q vorherQ neuBedeutung
0000Band steht
1001Start
0011läuft nach dem Loslassen weiter
0110Stopp
1100Stopp hat Vorrang
Definition

Programmierarten: visuell und textbasiert

Die Norm IEC 61131-3 beschreibt mehrere SPS-Sprachen.

  • Visuelle Sprachen zeichnen das Programm: Kontaktplan, Funktionsplan und die Ablaufsprache, die den Ablauf in Schritten zeigt. Für Logik sind sie gut lesbar.
  • Textbasierte Sprachen schreiben es als Text: Strukturierter Text (ST, ähnlich einer Programmiersprache) und die Anweisungsliste. Sie eignen sich für Rechnungen, Schleifen und viele Daten.

Die Selbsthaltung aus dem Beispiel sieht in Strukturiertem Text so aus:

ZeileEinrückungAnweisung
10Q := (S1 OR Q) AND NOT S2;\texttt{Q := (S1 OR Q) AND NOT S2;}
Häufige Fehler

Digital und binär sind dasselbe

„Ein digitales Signal hat immer nur die Werte 0 und 1.“

Richtig ist

Binär heißt: zwei Zustände. Digital heißt: ein Wert in Stufen, also eine Zahl aus Bits. Ein 8-Bit-Wert hat 256 Stufen und ist digital, hat aber nicht nur zwei Zustände. Der Taster liefert ein binäres Signal.

Häufige Fehler

Die SPS läuft ihr Programm nur einmal

„Die SPS arbeitet das Programm von oben nach unten ab und ist dann fertig.“

Richtig ist

Eine SPS wiederholt ihren Zyklus ununterbrochen. Nur deshalb bemerkt sie einen Tastendruck, und nur deshalb funktioniert die Selbsthaltung: Das Programm liest in jedem Zyklus den Wert von Q aus dem Zyklus davor.

Zusammenfassung

  • Einen Automatisierungsprozess entwickelst du in Schritten: Aufgabe beschreiben, Ein- und Ausgänge festlegen, Ablauf visualisieren, programmieren und testen.

  • AND, OR, NOT, NAND, NOR und XOR verknüpfen Bits. Eine Wahrheitstabelle mit n Eingängen hat 2n2^n Zeilen.

  • Eine SPS ist ein robuster Computer für Anlagen. Ihr Programm steht im Speicher, und sie arbeitet in ständigen Zyklen: Eingänge lesen, Programm abarbeiten, Ausgänge setzen.

  • Binäre Signale haben zwei Zustände, analoge jeden Wert, digitale sind Zahlen in Stufen. AD- und DA-Wandler setzen zwischen analog und digital um.

  • Im Kontaktplan bedeuten Reihenschaltung UND, Parallelschaltung ODER und ein Öffner NICHT. Der Funktionsplan zeichnet Gatterkästchen.

  • Programme können visuell (Kontaktplan, Funktionsplan, Ablaufsprache) oder textbasiert (Strukturierter Text, Anweisungsliste) geschrieben werden.

Übungen

Aufgabe 1Multiple Choice

Bei welcher Belegung der Eingänge ist der Ausgang eines NOR-Gatters 1?

Aufgabe 2Numerisch

Wie viele Zeilen hat die Wahrheitstabelle einer Schaltung mit 4 Eingängen?

Aufgabe 3Multiple Choice

Zwei Schließer sind im Kontaktplan parallel geschaltet. Welche Verknüpfung entsteht?

Aufgabe 4Numerisch

Ein AD-Wandler arbeitet mit 10 Bit. Wie viele verschiedene Stufen kann er unterscheiden? Schreibe die Zahl ohne Punkt.

Aufgabe 5Freitext

Das Förderband läuft nach dem Loslassen von S1 weiter. Erkläre mit Q = (S1 OR Q) AND NOT S2, warum.