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Einführung
01
Dies ist die erste Folge einer 8-teiligen Serie.
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Diese Serie befasst sich mit programmierbaren Logikkontrollern, oder PLCs, wie sie häufig genannt werden.
Was ist ein PLC, fragen Sie?
Kurz gesagt, es ist ein vielseitiges, programmierbares Industrie-Steuergerät.
Sie werden in der gesamten Industrie in Fabriken, Versorgungsunternehmen und überall dort eingesetzt, wo industrielle Maschinen gesteuert werden müssen.
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Sie sind ein vollständig integriertes System aus Hardware, Software und Entwicklungsumgebung, das speziell für automatische Industriegeräte entwickelt wurde.
Es ist wahrscheinlich am einfachsten, sie durch die Bereitstellung eines historischen Hintergrunds zu beschreiben, der vor ihnen lag.
04 Die frühen Tage der Automatisierung
Sie haben wahrscheinlich von der Jacquard-Webstube des frühen 19. Jahrhunderts und ihrer Verwendung von Lochkarten gehört, was eine der Technologien war, die letztendlich zur Rechenmaschine führten.
Für unsere Zwecke hier ist ihre Bedeutung jedoch, dass es eine frühe Form eines automatisierten Kontrollsystems in der Industrie war, da sie letztendlich eine Maschine in einer Fabrik steuerte.
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Für andere Arten von Maschinen war ein häufiger rein mechanischer Weg, um die verschiedenen Teile einer komplexen Maschine koordiniert in Bewegung zu setzen, über Schaften und Hebeln.
Eine Reihe von Hebeln, die an einem Schaft oder einem Satz von Schaften angebracht sind, die durch Zahnräder verbunden sind, konnten Teile einer Maschine bewegen, Ventile ein- oder ausschalten und im Allgemeinen die Teile einer Maschine koordinieren.
Mit der Verbreitung der elektrischen Energie in Fabriken zu Beginn des 20. Jahrhunderts war es nun möglich, die neue elektrische Technologie zur Ausführung von Kontroll- und Automatisierungsfunktionen zu nutzen.
06 Der Hintergrund der Relaislogik
Ich werde hier einige elektromechanische Begriffe erklären müssen, da ein Verständnis dieser Begriffe und der dahinterliegenden Konzepte erforderlich ist, um PLCs zu verstehen, da die Letzteren eine Weiterentwicklung ihrer Vorgänger sind und die gleichen Begriffe verwenden.
Vor den PLCs gab es das, was allgemein als "Relaislogik" bekannt war.
Was ist ein Relais?
Ein Relais ist ein elektromechanisches Gerät, das auf den Stromfluss reagiert und ihn steuert.
Ein Relais hat einen "Spulenkern", wie der Name schon sagt, eine Spule aus leitendem Draht.
Wenn man die Spule energisiert, also elektrischen Strom darauf anwendet, bildet sie einen Elektromagneten.
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Dieser Elektromagnet zieht einen Armatur an.
Die Armatur ist ein beweglicher Metallteil, der vom Elektromagneten angezogen wird, wenn die Spule energisiert ist.
Der aktivierte Schalter wird als "schließen" bezeichnet.
Das Deaktivieren wird als "öffnen" bezeichnet.
Alternative Bezeichnungen für diese Zustände sind "einklinken" und "ausschalten" bzw.
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Der Armatur ist an einen oder mehreren Kontakten befestigt.
Man kann einen Kontakt als Schalter vorstellen.
Wenn der Schalter in eine Richtung gedreht wird, ist der elektrische Weg geschlossen und der Strom kann fließen.
Wenn er in die andere Richtung gedreht wird, wird der elektrische Weg unterbrochen und der Stromfluss gestört.
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Kontakte können normalerweise offen sein, in diesem Fall ist der Weg geschlossen und der Strom kann fließen, wenn der Schalter eingeschaltet wird.
Alternativ können sie normalerweise geschlossen sein, in diesem Fall ist der Weg geschlossen und der Strom fließt, wenn der Relaisschalter ausgeschaltet wird.
Ein Relais kann und tut es typischerweise auch mit mehreren Kontakten, einschließlich sowohl normalerweise offener als auch normalerweise geschlossener Kontakte.
Denken Sie an diese Begriffe: Spule, Kontakt, normalerweise offen und normalerweise geschlossen.
Was ist ein Latching-Relais?
Es gibt eine spezielle Art von Relais, das Latching-Relais.
Dies wurde nur gelegentlich in Relaissteuerungsschaltungen verwendet, aber die Konzepte dahinter werden wichtiger, wenn wir über tatsächliche PLCs sprechen.
Ein Latching-Relais hat zwei Spulen.
Eine Spule wird verwendet, um das Relais einzuschalten oder "zusetzen".
Die andere Spule wird verwendet, um den Relaisschalter auszuschalten oder "zurückzusetzen".
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Das Relais verfügt über einen mechanischen Verriegelungsmechanismus oder einen Magneten, der den Relaisschalter in der gesetzten (oder anders ausgedrückt, geschlossenen) Position hält, auch wenn die Spule deaktiviert ist.
Um den Relaisschalter zurückzusetzen oder "zu öffnen", müssen Sie die Rücksetzspule aktivieren.
Ein Verriegelungsrelais bietet die Entsprechung eines "Bits" Speicher, der seinen letzten Zustand beibehält, auch wenn die Stromversorgung der Maschine ausgeschaltet wird.
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Verriegelungsrelais wurden in Anwendungen verwendet, in denen es wichtig war, dass der Relaislogikkreis seinen letzten Zustand erinnert.
Während sie aufgrund ihres höheren Kosten und ihrer Komplexität nicht häufig in Relaissteuerungsschaltungen verwendet werden, sollte der Konzept in PLC-Programmen viel ausführlicher eingesetzt werden, wenn Setzen und Zurücksetzen Anweisungen bereitgestellt werden, die die äquivalente Funktion in der Software ausführen, ohne dass ähnliche Kostenüberlegungen zu beachten sind.
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Daher sollten Setzen und Zurücksetzen in PLC-Programmen viel häufiger verwendet werden als wenn sie tatsächliche Relais wären.
Fügen Sie diese Begriffe zu Ihrer Liste der Dinge hinzu, die Sie sich merken müssen - Verriegeln, Entverriegeln, Setzen und Zurücksetzen.
Was ist ein Kontaktor?
Ich werde nun einen weiteren Begriff erwähnen, falls er später auftauchen sollte.
Das ist der "Kontaktor".
Ein Kontaktor ist im Grunde nur ein großer Relais.
Er wird typischerweise verwendet, um große elektrische Lasten wie Motoren und Heizungen zu steuern.
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Kleinere Relais werden üblicherweise einfach als "Relais" bezeichnet oder manchmal als "Steuerrelais".
Diese werden verwendet, um entweder Logikschaltungen zu erstellen oder kleinere elektrische Lasten wie Lichter oder pneumatische oder hydraulische Ventile zu steuern.
Das mag nach einer Menge Fachjargon klingen, aber bleiben Sie dran, ich werde Analogien zu Computern ziehen, wenn es angemessen ist.
17 Eingabe- und Ausgabegeräte
Wenn du eine nützliche Arbeit verrichten möchtest, wirst du einige I/O benötigen.
Zu den typischen Eingabegeräten gehören folgende.
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Drucktasten.
Dies sind Tasten, die vom Betreiber gedrückt werden, um die Maschine anzuweisen, etwas zu tun.
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Schalter zur Auswahl.
Dies sind Schalter, die typischerweise gedreht werden, um ein- oder auszuschalten und ihre Position zu halten.
Diese können mehrere Positionen haben, jede kann ein separates Eingabegerät aktivieren.
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Funkenzünder. Diese Lichter werden verwendet, um dem Bediener Feedback zu geben.
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Begrenzungsschalter.
Dies sind mechanische Schalter, die Teile der Maschine aktivieren, anstatt dass der Bediener sie aktiviert.
Dies kann verwendet werden, um festzustellen, in welcher Position sich die verschiedenen Teile der Maschine zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden.
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Näherungssensoren.
Diese sind im Wesentlichen Festkörper-Begrenzungsschalter, die zuverlässiger als mechanische Schalter sind, da sie weniger anfällig für Verschleiß sind.
Diese werden oft umgangssprachlich als "Proxies" abgekürzt.
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Solenoidventile.
Diese sind wie Relais, da ein elektromagnetischer Spulenkreis aktiviert wird.
Allerdings aktiviert es statt eines weiteren elektrischen Kontakts eine pneumatische oder hydraulische Ventil.
Dieses Ventil erlaubt typischerweise, dass Luft oder hydraulisches Fluid einen Kolben innerhalb eines Zylinders bewegt, der dann ein mechanisches Teil der Maschine bewegt.
Eine typische Maschine hat hunderte von Annäherungssensoren und Solenoidventilen.
24 Relaislogik
Alle diese Eingaben und Ausgänge erfordern irgendeine Art von Logik, um sie zu koordinieren.
Hier kamen Steuerrelais ins Spiel.
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Wenn es so klingt, als ob die Ausgabe eines elektrischen Geräts die Fähigkeit haben könnte, ein anderes elektrisches Gerät zu steuern, dann sind Relais tatsächlich analog zu elektronischen Transistoren.
Allerdings stammen Relais aus der Mitte des 19. Jahrhunderts, während Transistoren eine Erfindung der Mitte des 20. Jahrhunderts sind.
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Genau wie bei Transistoren ist es möglich, Logik in ein Netzwerk von Drähten zu kodieren, die Relais miteinander verbinden, zusammen mit Eingaben von Schaltern und anderen Eingabegeräten.
Durch das Verkabeln von Sensoren und Relais in der richtigen Reihenfolge ist es möglich, relativ komplexe Sequenzen von Operationen zu erstellen, um eine Maschine auf automatische Weise zu steuern.
27 Relais-Boolesche Logik
Die Verkabelung von Relaiskontakten in Reihe erzeugt "und"-Bedingungen.
Die Verkabelung in Parallel erzeugt "oder"-Bedingungen.
Die Verwendung von normal geschlossenen Relaiskontakten erzeugt "nicht"-Bedingungen.
Indem man die eigenen Kontakte eines Relais zurück in den Stromkreis führt, der bis zu seiner Spule führt, ist es möglich, dass ein Relais seinen eigenen Zustand merkt.
Jede Relais könnte daher als ein Bit der Logik in einem booleschen Logikkreis betrachtet werden.
28 Timer und Zähler
Spezielle Zeitrelais könnten verwendet werden, um eine Zeitverzögerung zwischen dem Relais energisiert oder entladen und den Kontakten geschlossen oder geöffnet zu schaffen.
Ein Zeitrelais, das nach der Aktivierung eine Verzögerung auferlegt, ist ein "On-Verzögerungstimer".
Ein Zeitrelais, das nach der Deaktivierung eine Verzögerung auferlegt, ist ein "Off-Verzögerungstimer".
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Zeitrelais waren oft pneumatisch.
Sie hatten einen kleinen Gummiballen, der langsam Luft durch eine einstellbare Öffnung entweichen ließ.
Der Ballen würde das Relais davon abhalten, sich zu öffnen oder zu schließen, je nach Typ, bis genug Luft entweicht ist, damit es sich schließt oder öffnet.
Für mehr Genauigkeit oder längere Zeitverzögerungen könnten motorisierte Uhr-Timer verwendet werden.
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Spezielle Zählerrelais könnten verwendet werden, um eine Eingabe zu verlangen, um eine bestimmte Anzahl von Malen einzuschalten oder auszuschalten, bevor die Relaisausgänge aktiviert werden.
Zähler verwendeten typischerweise ein Ratch-Mechanismus, um bis zu einer voreingestellten Zahl zu zählen, bevor sie aktiviert wurden.
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Spätere Zeit- und Zählerrelais verwendeten elektronische Timer und Zähler, aber diese kamen relativ spät, zu einer Zeit, als Relaislogik auf dem Weg der Auslöschung war.
32 Elektrische Panels
Große Mengen an Relais würden auf Panels in großen elektrischen Gehäusen montiert, mit den Kabeln dazwischen und auch zu den Grenzwippen, Ventilen und anderen Geräten, die auf der Maschine montiert sind.
33 Logikschaltkreis entwerfen
Die Logik oder das Programm würde in der Auswahl der Geräte und in den Kabeln, die zwischen ihnen laufen, kodiert sein.
Um Designer würde, um diese Logik zu entwerfen und zu dokumentieren, elektrische Zeichnungen erstellen.
Diese Zeichnungen würden nach einem von zwei verschiedenen Stilen folgen.
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In einem Stil wurden die beiden Stromkabel, entweder heiß und neutral bei Wechselstrom oder positiv und negativ bei Gleichstrom, als vertikale Linien an jeder Seite der Zeichnungsseite dargestellt.
Diese vertikalen Linien sind als "Schienen" bekannt.
Dann würden Kabel horizontal über die Seite von links nach rechts gezeichnet, die Verbindungen zwischen Drucktasten, Schaltern und Relaiskontakten auf der rechten Seite zu den Relaisspulen oder Pilotleuchten zeigen.
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Die physischen Verbindungen zwischen Relaisspulen und Relaiskontakten wurden normalerweise nicht in den Zeichnungen dargestellt, obwohl sie dies bei Drucktasten oder Wählschaltern mit mehreren Kontakten sein können.
Stattdessen würde man sich auf die Beschriftungen oder Namen verlassen, um zu sehen, welche Kontakte mit welchen Relaisspulen, Grenzwahlschaltern oder Drucktasten assoziiert sind.
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Es gibt Standard-Bezeichnungen für Geräte, auf die ich hier nicht eingehen werde.
Allerdings bedeutet dies, dass die Relaisspulen auf einer Seite der Zeichnungssammlung sein könnten, und die Kontakte könnten überall sonst in der Zeichnungssammlung sein.
Es war üblich, eine Kreuzreferenz neben der Relaisspule aufzulisten, wo ihre Kontakte in der Zeichnung verwendet werden.
37 Treppenstufen
In praktischen Begriffen bedeutete dies, dass die Logikzeichnung dazu neigte, die Form vieler unabhängiger horizontaler Verkabelungssätze und Kontakte zu annehmen, die eher wie die Stufen einer Treppe aussahen.
So wurden diese Zeichnungen bekannt als "Treppendiagramme" oder "Treppenzeichnungen".
Die horizontalen Elemente wurden als "Stufen" bezeichnet.
38 Standard-Symbole
Jedes Gerät hatte ein Standard-Symbol, sodass man auf einen Blick erkennen konnte, was es war.
Zum Beispiel war eine Relaisspule ein Kreis.
Ein normalerweise offener Relaiskontakt war zwei kurze vertikale Linien, die einen Bruch im Drahtkreis trennten.
Ein normalerweise geschlossener Relaiskontakt war einfach ein normalerweise offener Kontakt mit einer diagonalen Linie darüber gezeichnet.
39 Logischer Ablauf
Nach der Konvention wurden Zeichnungen von oben nach unten, von links nach rechts gelesen.
In der Praxis konnten Operationen parallel stattfinden, und man musste vorsichtig sein, um eine "Relaisrenne" zu vermeiden, bei der das Ergebnis einer Operation von der Reihenfolge abhängig war, in der zwei parallele Operationen abgeschlossen wurden.
Eine Relaisrenne konnte unvorhersehbare Ergebnisse erzeugen, abhängig davon, welche der Operationen zuerst abgeschlossen wurde, und musste daher vermieden werden.
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Ingenieure, Techniker und Elektriker wurden erwartet, um in der Lage zu sein, diese Treppendiagramme zu lesen und zu verstehen, um Ausrüstung zu entwerfen und zu beheben.
Für jemanden, der in diesem Bereich erfahren ist, wurde das Lesen und Verstehen dieser Diagramme zur zweiten Natur.
41 DIN-Zeichnungen
Ich erwähnte, dass es zwei Zeichnungsstile gibt.
Der andere Stil wird als DIN bezeichnet, was dem Deutschen Institut für Normung oder dem Deutschen Normeninstitut in englischer Sprache entspricht.
Dies ist im Wesentlichen nur eine Leiterdiagramm, das auf seiner Seite gedreht wurde, mit den Schienen horizontal von links nach rechts und den Stufen vertikal von oben nach unten.
Ich habe hier DIN-Zeichnungen erwähnt, um Vollständigkeit zu gewährleisten, aber selbst Länder, die DIN-Stil-Zeichnungen für die Dokumentation der Verkabelung noch verwenden, verwenden vertikale Leitern, wenn die Leitlogik elektronisch wurde.
42 Vergleich mit elektronischen Logiktoren
Wenn Sie mit elektronischen und/oder NAND- und NOR-Toren vertraut sind, sollten einige der obigen Konzepte Ihnen vertraut sein.
Einige der Konzepte sind tatsächlich analog.
Diese elektromechanischen Konventionen stammen jedoch aus einer Zeit, bevor es Festkörper gab.
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Die Zeichnungen folgen auch völlig unterschiedlichen Prinzipien.
Während die Zeichnungen logischer Tore auf Festkörperebene Eingaben und Ausgänge auf einem einzigen Gerät in einem einzigen Block mit komplexen Verbindungen zeigen, trennen elektrische Leitungszeichnungen sie, was eine Reihe sehr bedeutender Folgen hat.
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Erstens vereinfacht es die Zeichnung der Verbindungen erheblich.
Zweitens ermöglicht es, Eingaben und Ausgänge nach Funktion statt nach physischer Verpackung zu gruppieren.
Drittens ermöglicht es, Zeichnungen über viele kleinere Standardblätter zu verteilen, was wiederum eine funktionale Sammlung verwandter Stufen in einem einzigen Blick ermöglicht.
Diese drei Faktoren sollten von großer Bedeutung sein, als physische Relais durch Software ersetzt wurden.
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45 Historische Ursprünge und Entwicklung
Ursprünge
Es scheint, dass niemand weiß, wann oder wo die industrielle Relaislogik erstmals eingeführt wurde.
Die besten Schätzungen deuten darauf hin, dass es irgendwann nach der weit verbreiteten Elektrifizierung von Fabriken zu Beginn des 20. Jahrhunderts war.
Automatisierung in der Dampfzeit schien sich hauptsächlich auf das Profil mechanischer Zahnräder zu stützen, die auf Achsen montiert waren, um Maschinenoperationen zu steuern.
Die meisten Quellen scheinen ziemlich sicher zu sein, dass Relaislogik bis in die 1940er oder 50er Jahre weit verbreitet war.
46 Festkörper
Die Einführung von Transistoren verdrängte Relais nicht sofort für Steuerzwecke.
Relais hatten die Fähigkeit, große Mengen an Strom direkt zu verarbeiten, was es ihnen ermöglichte, direkt mit Eingängen und Ausgängen zu interagieren.
Transistoren hätten dennoch Relais als Vermittler benötigt, was die Anzahl der Komponenten erhöht und das System komplizierter gemacht hätte, ohne nennenswerten Vorteil.
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Es wurden Festkörper-Logikmodule entwickelt, die speziell dazu bestimmt waren, Relais in der Steuerlogik zu ersetzen, aber diese wurden nicht weit verbreitet genutzt.
Diese Festkörper-Logikmodule benötigten immer noch Verkabelungsverbindungen zwischen ihnen, was ihre Vorteile gegenüber elektromechanischen Relais einschränkte.
Mehrere Unternehmen entwickelten verschiedene Familien elektromechanischer Steuerrelais, die in der Regel sehr robust und zuverlässig waren, aber auch recht teuer.
48 Schlussfolgerung
In dieser Episode habe ich Folgendes behandelt:
Was ist ein Relay?
Gemeine Eingabe- und Ausgabegeräte.
Wie Relais verwendet werden, um boolesche Logiksysteme zu erstellen.
Entwerfen von Relaislogiksystemen und den elektrischen Zeichnungen, die sie dokumentieren.
Kurze Geschichte der Relaislogiksysteme.
49 Begriffe, die man sich merken sollte.
Hier sind einige Begriffe, die man sich merken möchte.
Programmierbarer Logikcontroller, auch bekannt als "PLC".
Steuerrelais
Spulen
Kontakte
Normalerweise offen
Normalerweise geschlossen
50
Verriegeln
Entsperren
Setzen
Zurücksetzen
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Auf Verzögerungszeitmessern
Auf Abschaltverzögerungszeitmessern
Zähler
Drucktasten
Pilotleuchten
Begrenzungsschalter
Annäherungsschalter, auch bekannt als "Proxies"
Leitbildern
Leiternrillen
Leiternstufen
52 Nächste Episode
In der nächsten Episode werde ich Folgendes besprechen
Die Ursprünge von PLCs
Wie sie sich aus der Relaislogik entwickelt haben
Wie und warum physische Relais und Verkabelung zu virtuellen Relais in der Software wurden
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Hast du gedacht, dass visuelle oder grafische Programmierung etwas Neues ist?
Hören Sie sich die nächste Folge an und erfahren Sie, dass Menschen es in Fabriken vor einem halben Jahrhundert taten, als Sie noch daran arbeiteten, Ihr erstes Fortran-Programm auf einem Hauptrechner laufen zu lassen.
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Dies war die erste Folge einer 8-teiligen Serie.
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