PLC-Programmierung – Einführung

PLC-Programmierung bildet die Grundlage moderner Systeme der Industrieautomatisierung. PLC sind für die Steuerung von Produktionsprozessen, Maschinensystemen und Anlagen ausgelegt und werden in zahlreichen Industriezweigen eingesetzt – von der Automobilindustrie über die FMCG-Branche bis hin zur Schwerindustrie und Pharmaindustrie. In diesem Artikel geben wir einen allgemeinen Überblick über die Programmierung von Steuerungen, die in PLC verwendeten Programmiersprachen sowie ihre Einsatzgebiete in verschiedenen Branchen.

Was ist ein PLC?

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC) ist ein digitales Computergerät zur Steuerung von Automatisierungsprozessen. PLC erfassen Signale von verschiedenen Sensoren und Geräten, verarbeiten diese anhand der programmierten Anweisungen und senden anschließend entsprechende Steuersignale an Aktoren. Zu den wichtigsten Komponenten eines PLC gehören:

• Prozessor
• Ein-/Ausgangsmodule (I/O)
• Speicher
• Kommunikationsschnittstelle

PLC-Programmiersprachen

PLC-Programmierung kann in mehreren Sprachen erfolgen, von denen jede ihre eigenen Vorteile und spezifischen Einsatzbereiche hat. Nachfolgend ein Überblick über die gängigsten PLC-Programmiersprachen:

• Ladder Diagram (LD): Die bekannteste und am weitesten verbreitete Sprache, die an elektrische Schaltpläne erinnert. Ideal für Elektriker und Techniker. Ladder Diagram ist übersichtlich und intuitiv, was die Diagnose und Fehlerbehebung in Systemen der Industrieautomatisierung erleichtert.
• Structured Text (ST): Eine Hochsprache, die PASCAL ähnelt. Sie wird für komplexere Berechnungen und Logik verwendet. Structured Text erleichtert die Implementierung anspruchsvoller Algorithmen und mathematischer Operationen.
• Function Block Diagram (FBD): Eine grafische Sprache, die die Programmierung mit Funktionsbausteinen ermöglicht. Sie ist in Prozessanwendungen weit verbreitet. FBD erlaubt die schnelle Erstellung von Programmen durch die Nutzung fertiger Funktionsbausteine.
• Instruction List (IL): Eine Low-Level-Programmiersprache, die Assembler ähnelt. Sie wird in Systemen eingesetzt, die maximale Leistung erfordern. Instruction List ist komplexer, ermöglicht jedoch eine präzise Kontrolle des Steuerungsprozesses.
• Sequential Function Chart (SFC): Eine grafische Sprache zur Programmierung sequenzieller Prozesse. Praktisch in Systemen mit vielen Prozessschritten. SFC eignet sich ideal für die Verwaltung von Abläufen, etwa in Produktionsprozessen.
• Structured Control Language (SCL): Eine Hochsprache, die eine Erweiterung von Structured Text darstellt. SCL wird vor allem in der Siemens-Umgebung eingesetzt und ermöglicht dank erweiterter Sprachfunktionen eine fortgeschrittenere PLC-Programmierung.
• CODESYS: Eine universelle Entwicklungsumgebung für PLC, die viele verschiedene Programmiersprachen und Hardwareplattformen unterstützt. CODESYS ermöglicht die Programmierung in verschiedenen Sprachen gemäß IEC 61131-3 und ist damit ein sehr flexibles Werkzeug für Ingenieure.

Einsatz von PLC in verschiedenen Industriezweigen

PLC-Programmierung wird in zahlreichen Industriebereichen eingesetzt:

• Automobilbranche: Steuerung von Montagelinien sowie Management von Schweiß- und Lackierrobotern. PLC sind ein zentrales Element bei der Automatisierung der Fahrzeugproduktion, in der Präzision und Zuverlässigkeit entscheidend sind.
• FMCG (Fast-Moving Consumer Goods): Automatisierung von Verpackungslinien sowie Steuerung von Produktions- und Lagerprozessen. In der FMCG-Industrie sind Geschwindigkeit und Effizienz entscheidend, und die PLC-Programmierung unterstützt diese Ziele durch die Optimierung der Produktionsabläufe.
• Schwerindustrie: Steuerung metallurgischer Prozesse, Regelung großer Maschinen und Materialtransportsysteme. In der Schwerindustrie übernimmt die PLC-Programmierung die Steuerung komplexer Prozesse und sorgt für einen sicheren Betrieb.
• Pharmaindustrie: Präzise Steuerung der Arzneimittelproduktion, Qualitätskontrolle, Verpackung und Distribution. In der Pharmaindustrie werden PLC eingesetzt, um hohe Qualitätsstandards und die Einhaltung von Vorschriften wie GMP sicherzustellen.

PLC-Programmierung und Maschinensicherheit

PLC-Programmierung spielt eine zentrale Rolle bei der Gewährleistung der Maschinensicherheit und der Sicherheit industrieller Anlagen. Im Kontext der Industrieautomatisierung hat Sicherheit höchste Priorität, und die Einhaltung von Vorschriften und Normen ist unerlässlich. Ein wesentlicher Bestandteil der Maschinensicherheit sind die Anforderungen der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG, die grundlegende Anforderungen an die Konstruktion und den Bau von Maschinen festlegt, um ihre sichere Verwendung zu gewährleisten.

Die Richtlinie verlangt, dass Maschinen so konstruiert und gebaut werden, dass das Unfallrisiko ausgeschlossen wird. Dazu gehört auch die Implementierung von Sicherheitssystemen, die durch PLC gesteuert werden können. Ein wichtiger Aspekt ist die Risikobeurteilung nach DIN EN ISO 12100, die die Grundsätze zur Identifizierung von Gefährdungen, zur Risikobewertung und zur Risikominderung festlegt.

Harmonisierte Normen wie EN ISO 13849-1 und EN 62061 geben Leitlinien für die Auslegung und Implementierung von Sicherheitssystemen vor. Sicherheitssteuerungen, eine spezielle Art von PLC, werden zur Überwachung und Steuerung von Sicherheitsfunktionen eingesetzt. Sie zeichnen sich durch eine höhere Zuverlässigkeit aus und sind so ausgelegt, dass sie im Fehlerfall ein sicheres Stillsetzen der Maschine gewährleisten.

Sicherheitssysteme umfassen verschiedene Komponenten wie Sicherheitssensoren, Not-Halt-Einrichtungen, Lichtschranken und Sicherheits-Schaltmodule. Alle diese Elemente arbeiten mit Sicherheitssteuerungen zusammen, um Maschinen entsprechend den Anforderungen der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und der einschlägigen Normen zu überwachen und zu steuern.

Im Zusammenhang mit der PLC-Programmierung bedeutet die Integration von Sicherheitsfunktionen, dass Ingenieure die spezifischen Sicherheitsanforderungen kennen und geeignete Programmier- und Prüfverfahren anwenden müssen, damit die Systeme den Vorschriften entsprechen. Die Umsetzung norm- und richtlinienkonformer Sicherheitsmaßnahmen gewährleistet nicht nur die Rechtskonformität, sondern schützt auch Mitarbeiter und Anlagen und trägt so zu einer sichereren und effizienteren Arbeitsumgebung bei.

PLC-Programmierung ist eng mit SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition) verbunden, die zur großflächigen Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse dienen. SCADA-Systeme erfassen Daten aus PLC und anderen Geräten und ermöglichen es den Bedienern, die gesamte Produktionsinfrastruktur zu überwachen. Die Integration der PLC-Programmierung mit SCADA gewährleistet ein reibungsloses Echtzeit-Datenmanagement, sodass auf Unregelmäßigkeiten schnell reagiert und Produktionsprozesse optimiert werden können.

Vor- und Nachteile verschiedener PLC-Typen

Je nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung können unterschiedliche PLC-Typen gewählt werden:

• Kompakte PLC: Alle Module sind in einem Gerät integriert. Ideal für kleinere Anwendungen.
  • Vorteile: Einfache Installation, geringere Kosten.
  • Nachteile: Geringere Flexibilität und Skalierbarkeit.
• Modulare PLC: Sie bestehen aus separaten Modulen, die an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden können.
  • Vorteile: Hohe Flexibilität und Skalierbarkeit.
  • Nachteile: Höhere Anfangskosten, größere Installationskomplexität.
• Rack-PLC: Module werden in speziellen Schränken montiert und sind für große und komplexe Systeme vorgesehen.
  • Vorteile: Möglichkeit zur Anbindung einer sehr großen Anzahl von Ein- und Ausgängen, hohe Zuverlässigkeit.
  • Nachteile: Höchste Kosten, großer Platzbedarf.

PLC-Programmierung: Grundlegende Werkzeuge von Siemens und Allen Bradley

In der PLC-Programmierung sind die Werkzeuge zur Erstellung und Verwaltung des Codes ebenso wichtig wie die Programmiersprachen selbst. Zu den bekanntesten Marken im Bereich der SPS gehören Siemens und Allen Bradley.

Siemens

• TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal): Dabei handelt es sich um eine umfassende Entwicklungsumgebung von Siemens, die alle Werkzeuge für die PLC-Programmierung, die Konfiguration und die Diagnose von Systemen der Industrieautomatisierung integriert. TIA Portal unterstützt verschiedene Programmiersprachen gemäß IEC 61131-3, darunter Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD), Structured Text (ST), Instruction List (IL) sowie Sequential Function Chart (SFC).
  • Vorteile: Integration aller Werkzeuge in einer Umgebung, intuitive Benutzeroberfläche, breite Unterstützung für verschiedene Programmiersprachen.
  • Nachteile: Hohe Lizenzkosten, für die vollständige Nutzung der Möglichkeiten ist fortgeschrittenes Fachwissen erforderlich.
• SIMATIC Step 7: Dieses Werkzeug dient zur Programmierung von Siemens-Steuerungen der S7-Reihe. Step 7 bietet erweiterte Funktionen für die PLC-Programmierung, Diagnose und Wartung und ermöglicht die Erstellung komplexer Automatisierungsanwendungen.
  • Vorteile: Umfangreiche Programmiermöglichkeiten, Kompatibilität mit vielen Siemens-Steuerungen.
  • Nachteile: Steile Lernkurve, höhere Kosten im Vergleich zu anderen Werkzeugen.

Allen Bradley

• RSLogix 5000/Studio 5000: RSLogix 5000 (heute als Studio 5000 bekannt) ist ein fortschrittliches Werkzeug zur PLC-Programmierung von Allen Bradley. Es unterstützt Programmiersprachen gemäß IEC 61131-3 wie Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD), Structured Text (ST) sowie Sequential Function Chart (SFC). Studio 5000 wird hauptsächlich zur Programmierung von Steuerungen der Reihen ControlLogix und CompactLogix eingesetzt.
  • Vorteile: Intuitive Benutzeroberfläche, erweiterte Diagnose- und Simulationsfunktionen.
  • Nachteile: Hohe Lizenzkosten, erfordert spezialisiertes Fachwissen.
• RSLogix 500: Ein Werkzeug zur Programmierung älterer Allen-Bradley-Steuerungen der Reihen SLC 500 und MicroLogix. RSLogix 500 bietet grundlegende Funktionen für die PLC-Programmierung und Diagnose und eignet sich daher für weniger komplexe Anwendungen.
  • Vorteile: Einfache Anwendung, geringere Kosten im Vergleich zu Studio 5000.
  • Nachteile: Eingeschränkte Funktionen im Vergleich zu fortschrittlicheren Werkzeugen, keine Unterstützung für die neuesten Steuerungen.

Die Zukunft der PLC-Technologie

Die PLC-Technologie entwickelt sich kontinuierlich weiter und bringt neue Funktionen und Möglichkeiten hervor. Zu den Zukunftstrends zählen unter anderem die Integration mit dem Internet der Dinge (IoT), Cybersicherheit, künstliche Intelligenz (AI) sowie fortgeschrittene Datenanalysen. Es ist zu erwarten, dass die PLC-Programmierung immer leistungsfähiger wird und eine noch weitergehende Automatisierung sowie Optimierung industrieller Prozesse ermöglicht, was den Grundsätzen von Industrie 4.0 entspricht.

PLC-Programmierung: Häufigste Probleme und Lösungen

Bei der PLC-Programmierung können verschiedene Probleme auftreten, etwa Fehler im Code, Kommunikationsprobleme oder Hardwareausfälle. Zu den häufigsten Problemen und den entsprechenden Lösungen gehören:

• Fehler im Code: Regelmäßiges Testen und Debuggen des Codes.
• Kommunikationsprobleme: Überprüfung der Netzwerkkonfiguration und der korrekten Verdrahtung.
• Hardwareausfälle: Regelmäßige Wartung und Austausch verschlissener Komponenten.

Best Practices in der PLC-Programmierung

Um effiziente und zuverlässige PLC-Programme zu erstellen, empfiehlt es sich, bewährte Vorgehensweisen anzuwenden, wie zum Beispiel:

• Modularer Codeaufbau: Den Code in Modulen schreiben, um Wartung und Änderungen zu erleichtern.
• Dokumentation: Eine detaillierte Codedokumentation erleichtert das Verständnis und spätere Änderungen. Ein gut dokumentierter Code entspricht zudem den Anforderungen der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG.
• Tests: Regelmäßiges Testen des Codes unter verschiedenen Betriebsbedingungen.
• Sicherheit: Umsetzung von Sicherheitsmaßnahmen wie Passwörtern und Datenverschlüsselung. Sicherstellung der Konformität mit den Anforderungen der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Niederspannungsrichtlinie.

Im Kontext der PLC-Programmierung sollte die Betriebsanleitung der Maschine detaillierte Informationen zur Funktionsweise des Programms enthalten, damit die Benutzer dessen Arbeitsweise vollständig verstehen und das Gerät sicher sowie effizient bedienen können. Zu den wesentlichen Elementen, die in der Betriebsanleitung berücksichtigt werden sollten, gehören:

1. Beschreibung der Programmfunktionen:
   • Detaillierte Beschreibung der einzelnen Funktionen des PLC-Programms.
   • Erläuterung der Steuerungslogik und der Ablauffolge der Operationen.
2. Zyklusdiagramme:
   • Grafische Darstellung der Betriebsabläufe (Zyklusdiagramme), die die Reihenfolge und die Bedingungen für die Ausführung der einzelnen Operationen zeigen.
   • Die Zyklusdiagramme sollten präzise beschrieben und leicht verständlich sein, damit der Benutzer die Prozessschritte sowie mögliche Fehlerstellen schnell erkennen kann.
3. Anweisungen zur Diagnose:
   • Beschreibung der im PLC-Programm verfügbaren Diagnoseverfahren.
   • Methoden zur Identifikation und Interpretation von Fehlern sowie deren mögliche Ursachen.
4. Wartungs- und Reparaturverfahren:
   • Anweisungen für die regelmäßige Wartung des Systems, um seine Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit sicherzustellen.
   • Schritt-für-Schritt-Verfahren zur Reparatur und zum Austausch von Komponenten, die mit dem PLC-Programm verbunden sind.

Die technische Dokumentation sollte außerdem detaillierte Informationen zu folgenden Punkten enthalten:

• Schaltplänen: Sie zeigen die Verbindungen aller Komponenten des PLC-Systems.
• Codelisten und Programmen: mit vollständigem Quellcode sowie Kommentaren, die die Funktion der einzelnen Codeabschnitte erläutern.
• Konfigurationsdateien: die für den ordnungsgemäßen Betrieb des PLC-Systems erforderlich sind.
• Test- und Validierungsverfahren: um sicherzustellen, dass das PLC-Programm wie vorgesehen arbeitet und die Sicherheitsanforderungen erfüllt.

Eine präzise und durchdachte technische Dokumentation, einschließlich Zyklusdiagrammen und detaillierten Bedienhinweisen, ist unerlässlich, um den sicheren Betrieb von Maschinen, die Einhaltung von Normen sowie spätere Änderungen und die Fehlerbehebung zu erleichtern.

PLC-Programmierung: Bildungsressourcen und Werkzeuge

Für Ingenieure und Automatisierungstechniker, die ihr Wissen über die PLC-Programmierung erweitern möchten, stehen zahlreiche Bildungsressourcen zur Verfügung:

• Online-Kurse: Plattformen wie Coursera, Udemy oder edX bieten Kurse im Bereich PLC-Programmierung an.
• Lehrbücher und Fachbücher
• Simulationssoftware: Werkzeuge wie TIA Portal von Siemens oder RSLogix von Rockwell Automation ermöglichen das Erlernen der PLC-Programmierung und das Testen von Code in einer virtuellen Umgebung.

Die PLC-Programmierung ist ein zentrales Element der modernen Industrieautomatisierung und findet in vielen Industriezweigen Anwendung. Das Verständnis grundlegender Konzepte, Programmiersprachen und bewährter Verfahren ermöglicht es Ingenieuren und Automatisierungstechnikern, effiziente, zuverlässige und sichere Systeme zu entwickeln. Mit der fortschreitenden technologischen Entwicklung wird die PLC-Programmierung eine immer wichtigere Rolle bei der Automatisierung industrieller Prozesse spielen und dazu beitragen, die Produktivität zu steigern und die Produktionskosten zu senken.