Praktische Programmierung einer SPS-Steuerung für einen Elektrohebezug (S7-1200-Ladder-Diagramm + SCL-Implementierung in zwei Sprachen)

Bei herkömmlichen Elektrohebezeugen dominierte lange Zeit die Steuerungsart ”Nockensteuerung + Relais + Schütz”; die elektrischen Schaltpläne bestanden aus Dutzenden von Zwischenrelais und Zeitrelais, was die Fehlersuche erschwerte und eine Anbindung an das Informationssystem der Fabrik unmöglich machte. Mit dem Voranschreiten von Industrie 4.0 verlangen immer mehr Fabriken die Anbindung von Hebezeugen an MES-/SCADA-Systeme, um Funktionen wie die Überwachung des Anlagenzustands, die Erfassung von Betriebsdaten und die Frühwarnung bei Störungen zu realisieren. Der Ersatz der Relaislogik durch eine SPS ist ein unvermeidlicher Trend. Basierend auf den praktischen Erfahrungen aus einem von Krued Heavy Industry realisierten Projekt in einem Automobilzulieferwerk (zentralisierte Steuerung von 68 Elektrohebezeugen) wird in diesem Artikel der gesamte Prozess der Erstellung eines SPS-Steuerungsprogramms für Elektrohebezeuge detailliert dargestellt, einschließlich der E/A-Zuordnungstabelle, der Kontaktplanlogik, des SCL-Fehlersbehandlungscodes sowie die Gestaltung der HMI-Überwachungsbildschirme sowie den gesamten Prozess des Programm-Downloads und der Inbetriebnahme.

I. Hardwarekonfiguration und E/A-Zuweisung

1.1 Auswahl der Hardware

1.2 IO-Zuweisungstabelle

II. Programmierung mit LAD-Ladder-Diagrammen

2.1 Architektur des Hauptprogramms OB1

OB1 ist der Hauptzyklus-Organisationsblock, dessen Abtastzyklus standardmäßig 10 ms beträgt. Die folgenden FC-Blöcke werden in der Reihenfolge ihrer Ausführung aufgerufen:

2.2 Sicherheitsverriegelung FC100 (LAD-Diagramm)

// FC100: Sicherheitsverriegelungslogik
// Alle Sicherheitsbedingungen sind in Reihe geschaltet – wird eine der Bedingungen nicht erfüllt, wird der Betrieb unterbunden

 "SB0_EST" "SQ1_UL" "SQ2_DL" "FR_OL" "SafetyOK"
----|/|-------------|/|-------------|/|-------------|/|-------------------- ----(  )

// Überlastverriegelung: Bei Überlast ist nur das Absenken zulässig
    "OL1_OVLD"     "SB2_DN"                                                       
----| |------------| |------------------------------------------------------- ----( "Overload_DN_Only" )

// Rücksetzen des Überlastsignals (manuelle Bestätigung)
    "Overload_DN_Only"     "SB1_UP" "Overload_Latch" 
----| |------- ------------| |----------------------------------------------------(  )

2.3 Hubsteuerung FC200 (LAD-Blockschaltbild)

// FC200: Steuerungslogik für den Hubvorgang
// Aufwärtsfahrt: SafetyOK + oberer Endschalter nicht ausgelöst + keine Überlastung + Abwärtsfahrt nicht aktiv + Aufwärts-Taste
// Abwärtsfahrt: SafetyOK + unterer Endschalter nicht ausgelöst + Aufwärtsfahrt nicht aktiv + Abwärts-Taste (bei Überlastung ist nur Abwärtsfahrt zulässig)

    "SafetyOK" "SQ1_UL" "Overload_Latch"    "KM2_DN" "SB1_UP"     "KM1_UP"
----| |------------ -| |-------------|/|----------------|/|-----------| |----------(  )
    | |
    "KM1_UP" |
----| |------------------------------------------------------- ---------------------+

    "SafetyOK" "SQ2_DL" "KM1_UP" "SB2_DN"     "KM2_DN"
----| |-------------| |----------- --------------------|/|-----------| |----------(  )
    | |
    "KM2_DN" |
----| |--------------------------------------------------------------------- -------+

// Elektrische Verriegelung: KM1 und KM2 dürfen keinesfalls gleichzeitig aktiv sein
    "KM1_UP" "KM2_DN" "Interlock_OK"
----| |---------- -| |--------------(  )   // Dient der Fehlererkennung; darf im Normalbetrieb nicht durchgeschaltet sein

2.4 Verzögerungsschutz – Schutz vor häufigen Starts

// Schutz vor häufigem Einschalten: Nach jedem Ausschalten wird eine Verzögerung von 500 ms eingehalten, bevor ein erneutes Einschalten zulässig ist
// Verhindert das häufige Ein- und Ausschalten des Schützes innerhalb kürzester Zeit (Kontaktflattern/Lichtbogen)

    "KM1_UP" 
----|/|------------------------------------------------------ -----------------------
    "KM2_DN" TON_Start_Delay 
----|/|---------------- [TON: #Temp_StartDelay ] 
 PT= T#500MS 
 Q= "Start_Allowed" 

// In den Hauptsteuerkreis einbinden
    "Start_Allowed"     "SB1_UP" "KM1_UP"     // Aufwärts    
----| |----------------| |-----------(  )

III. SCL-Fehlercodes

3.1 FC400_FaultDiag (SCL-strukturierter Text)

// FC400: Fehlerdiagnose und Alarmierung
// Sprache: SCL (Strukturierter Text)
// Funktion: Echtzeitüberwachung des Gerätestatus, Erkennung von 13 Fehlerarten, Ausgabe von Fehlercodes an die HMI

FUNCTION FC400_FaultDiag : Void
    VAR_INPUT
 I_SafetyOK : Bool; // Status der Sicherheitsverriegelung
 I_KM1_UP : Bool; // Rückmeldung "Schütz ein"
        I_KM2_DN : Bool; // Rückmeldung des Absenk-Schützes 
 I_Overload_Latch  : Bool; // Überlastverriegelung
 I_OL1_OVLD : Bool; // Signal des Überlastsensors
 I_RunHours : Real;       // Kumulierte Betriebszeit (Stunden)
    END_VAR
 
 VAR_OUTPUT
 Q_FaultCode : Int; // Fehlercode-Ausgabe an HMI
 Q_FaultMsg : String[40]; // Fehlerbeschreibung
        Q_Alarm_Output    : Bool; // Akustischer und optischer Alarm
 Q_TotalRunHours   : Real; // Gesamtbetriebszeit
    END_VAR
 
 VAR
 vFaultCount : Int; // Fehlerzähler
        vPrev_KM1 : Bool; // Erkennung der ansteigenden Flanke des Schützes
 vPrev_KM2 : Bool; // Erkennung der abfallenden Flanke des Schützes
 vOverloadTimer    : Time; // Dauer der Überlastung
    END_VAR

    // === Liste der Fehlererkennungen ===
    Q_FaultCode := 0;  // Standardmäßig kein Fehler
    Q_Alarm_Output := FALSE;
    vFaultCount := 0;
 
 // Fehler 1: Not-Aus-Taste gedrückt
    IF I_SafetyOK = FALSE AND 
 'SB0_EST' = FALSE THEN
 Q_FaultCode := 1;
 Q_FaultMsg := "Not-Aus-Taste wurde betätigt";
 vFaultCount := vFaultCount + 1;
    END_IF;
 
 // Fehler 2: Auslösung des oberen Endschalters
    IF 'SQ1_UL' = FALSE THEN
 Q_FaultCode := 2;
 Q_FaultMsg := "Auslösung des oberen Endschalters (zu geringer Abstand zwischen Haken und Rolle)";
        vFaultCount := vFaultCount + 1;
    END_IF;
 
 // Fehler 3: Auslösen des unteren Endschalters
    IF 'SQ2_DL' = FALSE THEN
 Q_FaultCode := 3;
        Q_FaultMsg := "Auslösung des unteren Endschalters (weniger als 3 Seilwindungen auf der Trommel)";
 vFaultCount := vFaultCount + 1;
    END_IF;
 
 // Fehler 4: Überlastung des Thermorelais
    IF 'FR_OL' = FALSE THEN
 Q_FaultCode := 4;
 Q_FaultMsg := 'Motorüberlastschutz (Thermoschalter ausgelöst)';
 vFaultCount := vFaultCount + 1;
    END_IF;
 
 // Fehler 5: Überlast
    IF I_Overload_Latch THEN
 Q_FaultCode := 5;
 Q_FaultMsg := 'Überlastbegrenzer ausgelöst (Last > 110%)';
        vFaultCount := vFaultCount + 1;
    END_IF;
 
 // Fehler 6: KM1/KM2 gleichzeitig angezogen (Schütz klemmt)
    IF I_KM1_UP AND I_KM2_DN THEN
        Q_FaultCode := 6;
 Q_FaultMsg := "Schwerwiegender Fehler: Hoch- und Niedriggeschwindigkeitsschütz gleichzeitig angezogen";
 vFaultCount := vFaultCount + 1;
    END_IF;
 
 // Fehler 7: Fehlerhafte Rückmeldung des Schützes (Ausgangsbefehl stimmt nicht mit der Rückmeldung überein)
    IF ("KM1_UP" = TRUE AND I_KM1_UP = FALSE) OR
 ('KM2_DN' = TRUE AND I_KM2_DN = FALSE) THEN
 Q_FaultCode := 7;
        Q_FaultMsg := "Fehlerhafte Reaktion des Schützes (möglicherweise blockiert/Spule durchgebrannt)";
 vFaultCount := vFaultCount + 1;
    END_IF;
 
 // Bei Vorliegen eines Fehlers wird der Alarmausgang des Antriebs aktiviert
    IF vFaultCount > 0 THEN
 Q_Alarm_Output := TRUE;
    END_IF;
 
 // === Kumulierte Laufzeit ===
    Q_TotalRunHours := I_RunHours + 
 (TIME_TO_REAL(TIME_NOW() - „Start_Time“)) / 3600000,0;
 
END_FUNCTION

IV. HMI-Überwachungsbildschirm und Kommunikationskonfiguration

4.1 HMI-Variablentabelle und Bildschirmgestaltung

4.2 Konfiguration der PROFINET-Kommunikation (Botou-Konfiguration)

// Netzwerkparameter der Gerätekonfiguration
// 1. S7-1200 CPU 1212C
//    IP: 192.168.0.10
//    Subnetzmaske: 255.255.255.0
//    PROFINET-Gerätename: plc-hoist-01

// 2. KTP400 Basic HMI
//    IP: 192.168.0.20
//    Subnetzmaske: 255.255.255.0
//    Gerätename: hmi-hoist-01

// 3. HMI-Verbindungskonfiguration (in der HMI-Konfiguration einstellen)
//    Verbindungstyp: PROFINET (S7-1200)
//    HMI-Gerät: HMI_1 [192.168.0.20]
//    Steuerung: plc-hoist-01 [192.168.0.10]
//    Zugangspunkt: S7ONLINE
//    Subnetz: PN/IE_1

// 4. Beispiel für eine HMI-Variablenverbindung (SPS-Tag → HMI-Tag)
//    "DB1".FaultCode →  "FaultCode"  (Int, Abtastrate 500 ms)
//    "DB1".Load_Current     →  "CurrentLoad" (Real, Abtastzyklus 200 ms)
//    "DB1".Status_Running   →  "IsRunning"  (Bool, Abtastzyklus 100 ms)

V. Herunterladen und Debuggen des Programms

5.1 Schritte zum Herunterladen

// Download-Ablauf (TIA Portal V17)
// 1. Das gesamte Projekt kompilieren (Project → Build → Rebuild All)
//    Sicherstellen, dass "0 errors, 0 warnings" angezeigt wird
// 2. Zielgerät auswählen (Select target device)
//    Online-Zugriff → SPS erkannt → IP-Adresse 192.168.0.10 zugewiesen
// 3. Hardware-Konfiguration herunterladen (Download HW config)
//    Die SPS wird automatisch neu gestartet (ca. 15 Sekunden)
// 4. Softwareprogramm herunterladen (Download SW)
//    "Download all blocks" auswählen → Vorhandenes Programm überschreiben
// 5. Online-Überwachung (Go online)
//    Auf das "Brillen"-Symbol klicken, um in den Online-Überwachungsmodus zu wechseln
//    Beobachten, ob die grünen Pfade im Kontaktplan wie erwartet durchgeschaltet sind
// 6. Variablen erzwingen (Force table) – für die Fehlersuche
//    Hiermit kann der DI-Zustand erzwungen werden, ohne dass die Tasten tatsächlich betätigt werden müssen
//    Beispiel: Erzwingen Sie %I0.0=1, um das Drücken der Auf-Taste zu simulieren
//    Hinweis: Löschen Sie nach Abschluss der Fehlersuche unbedingt alle erzwungenen Werte

5.2 Checkliste für die Inbetriebnahme

Häufig gestellte Fragen