Steuerung Was ist eine SPS?

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Die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein zentrales Element der industriellen Automatisierung und löst seit mehr als 50 Jahren klassische, festverdrahtete Steuerungen wie Relais oder Schütze ab. Doch wie funktioniert eine SPS und welche Aufgaben erfüllt sie? Ein Überblick über eine Technologie, ohne die es die Automatisierung nicht gäbe.

Woraus besteht eine SPS und welche Aufgaben hat sie?

Eine SPS (Englisch: PLC – Programmable Logic Controller) ist ein elektronisches Gerät zur Steuerung und Regelung von Maschinen und Anlagen.

Eine SPS besteht aus Eingängen für Sensoren und weiteren Signalquellen sowie Ausgängen für Aktoren und Schaltgeräte. Die CPU führt als Zentraleinheit einer SPS das Steuerungsprogramm aus. Im Speicher der SPS wird schließlich über eine Schnittstelle das hierfür erforderliche Anwenderprogramm abgelegt. Weitere Schnittstellen der SPS dienen zur Kommunikation mit anderen Systemen.

Zu den Kernaufgaben einer SPS gehört der Empfang der Signale von Sensoren und anderen Eingabegeräten (z. B: Taster, Schalter, etc.) über die SPS-Eingänge. Die Eingangssignale solcher Geräte werden in der SPS nach dem zuvor programmierten Anwenderprogramm verarbeitet. In Abhängigkeit zu der jeweiligen Programmierung steuert die SPS dann verschiedene Aktoren wie etwa Motoren, Ventile, Relais, Signalleuchten, etc.

Übersicht

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Wo werden SPS überall eingesetzt?

SPS sind heutzutage flächendeckend in der Industrie zu finden. Entsprechend breitgefächert ist ihr Einsatzfeld.

Typische Anwendungen sind Maschinen, Maschinengruppen und der gesamte Bereich der Logistik (z. B. Pressen, Verpackungsmaschinen, Förderbänder, Sortieranlagen, Palettierer) sowie alle erdenklichen automatisierten Produktionslinien, Montageanlagen und Fertigungsstraßen in der Automobil-, Stahl-, Elektronik-, Konsumgüter und Nahrungsmittelindustrie.

In der Prozessindustrie (z. B. Chemie- und Pharmaanlagen) steuern SPS komplexe Prozesse wie Dosieren, Mischen und Abfüllen. In der Gebäudeautomation und Infrastruktur sind die Steuerungen wiederum unverzichtbar für den einwandfreien Betrieb von Aufzügen, Rolltreppen, Ampelanlagen, Heizungs- und Klimasystemen sowie Toranlagen, um nur wenige Beispiele zu nennen. Darüber hinaus gibt es eine Fülle an individuellen und somit anwendungsspezifisch programmierten SPS im Sondermaschinenbau. Und die Liste ließ sich an dieser Stelle sicherlich endlos fortsetzen.

Wer erfand die SPS?

Die Geschichte der SPS beginnt in den USA mit den Ingenieuren Richard E. Morley und Odo J. Struger. Morley entwickelte mit dem Unternehmen Bedford Associates 1969 die erste SPS, die Modicon 84 (Modular Digital Controller). Der Auftrag hierzu kam von General Motors. Der Automobilbauer suchte rund ein Jahr zuvor nach einer flexibleren, kostengünstigeren und zuverlässigeren Alternative zu hartverdrahteten Relaissteuerungen. Odo J. Struger arbeitete bei Allen-Bradley (heute Teil von Rockwell Automation) als Ingenieur und war ebenfalls maßgeblich an der Entwicklung beteiligt. Außerdem prägte er die zugehörigen Industriestandards in den USA. Richard E. Morley und Odo J. Struger gelten somit gewissermaßen als die „Pioniere der SPS“. Die Firma Bedford Associates wurde übrigens später in Modicon umbenannt. Die Marke Modicon ist heute Teil von Schneider Electric.

Wie funktioniert eine SPS zur Steuerung einer Maschine?

Die einzelnen Funktionsschritte lassen sich generell in Eingabeverarbeitung, Programmausführung und Ausgabeverarbeitung gliedern.

Während der Eingabeverarbeitung liest die SPS an ihren Eingängen die aktuellen Zustände der an der Steuerung angeschlossen Sensoren und weiteren Eingabegeräten aus. Auf diese Weise erhält die SPS Informationen zum aktuellen Zustand einer Maschine oder eines Prozesses.

Bei der Programmausführung verarbeitet die SPS über die CPU die eingelesenen Daten gemäß dem gespeicherten Steuerungsprogramm. Dieses Programm lässt sich individuell anpassen und kann in verschiedenen Sprachen wie Kontaktplan (Ladder Logic), Funktionsplan oder Anweisungsliste geschrieben sein. Die Logik entscheidet, wie auf die Eingangszustände der Sensoren und weiterer Eingabegeräte reagiert werden soll, z. B. dass ein Motor eingeschaltet wird, sobald ein Sensor auslöst.

Für die Ausgabeverarbeitung steuert die SPS basierend auf dem Ergebnis der Programmausführung ihre Ausgänge. Somit werden Steuersignale bspw. an Aktoren wie Motoren, Ventile, Relais oder Anzeigen gesendet, um die jeweils gewünschten Aktionen an einer Maschine auszuführen.

Dieser Ablauf wiederholt sich in einem kontinuierlichen Zyklus, damit die SPS auf Veränderungen im Prozess in Echtzeit reagieren kann, um eine zuverlässige reproduzierbare Steuerung zu gewährleisten.

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Modular, skalierbar und service-freundlich

SPS sind in der Regel modular aufgebaut und somit bei Bedarf erweiterbar, z. B. durch zusätzliche Ein- und Ausgänge oder durch Logikmodule, die die Signale mehrere Sensoren zusammenfassen und auf einen Eingang einer SPS führen, um die Zykluszeiten nicht unnötig zu verlängern. Die Programmierung einer SPS erfolgt flexibel, also je nach Aufgabe einer Anwendung, wobei sie sich bei veränderten Produktionsanforderungen zumeist leicht anpassen lässt. SPS verfügen überdies meist über interne Fehlerdiagnosen, die eine schnelle Wartung und Instandsetzung der Steuerung sowie der daran angeschlossenen Sensoren und Eingabegeräte ermöglichen.

Was sind die Unterschiede zwischen SPS und VPS (Verbindungsprogrammierte Steuerung)?

Eine Verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) dient zur Umsetzung von Steuerungs- und Regelungsaufgaben, bei der die Schaltlogik durch eine feste Verdrahtung einzelner Bauelemente bestimmt wird. Typische Beispiele für solche Bauelemente sind Schütze, Schalter, Logikbausteine oder aber Relaissteuerungen.

Die Implementierung einer SPS erfolgt zu einem Großteil am Computer. Im Feld ist dann nur noch eine vergleichsweise geringe Verdrahtung notwendig. Anders bei einer VPS, deren Montage weitaus aufwendiger ist, weil jede einzelne Funktion verdrahtet werden muss.

Ein Vorteil einer SPS ist zudem, dass sie durch eine reine Anpassung der Software umprogrammiert werden kann, während sich Relaissteuerungen und andere VPS nur durch eine aufwendige Neu- bzw. Umverdrahtung ändern lassen, was Zeit- und somit Kostenaufwand bedeutet.

Die Investitionskosten in eine SPS (Hardware und Programmierung) sind allerdings im Vergleich zu VPS höher, insbesondere wenn eine VPS nur einfachere Steuerungs- und Regelungsaufgaben wahrnehmen soll. Dafür ist eine SPS durch ihre modulare Architektur leichter skalierbar, während Erweiterungen an einer VPS immer auch mit einer zusätzlichen Verdrahtung verbunden sind. Eine SPS benötigt außerdem weniger Platzbedarf als umfangreiche Relais- und Verdrahtungssysteme, die sich darüber hinaus oft nur mit einem höheren Materialaufwand realisieren lassen.

Eine SPS überzeugt überdies mit schnellen Reaktionszeiten durch die Verarbeitung von Steuerungsaufgaben in Echtzeit und eignet sich daher besser für zeitkritische Prozesse als eine VPS. Hinzu kommt, dass eine SPS einfacher in Automatisierungs- und Netzwerkumgebungen mit anderen Systemen (z. B. HMI, SCADA) integrierbar ist und somit mehrere Prozesse zentral überwachen und steuern kann. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Wartung und Instandhaltung. Während bei einer SPS Fehler oder Probleme meist softwareseitig diagnostiziert werden können, müssen die Fehler in einem VPS meist mit höherem Aufwand z. B. in der Verdrahtung gesucht werden.

Erklärung

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Zusammengefasst punktet eine SPS in Sachen Flexibilität, Anpassung und Skalierung, geringerem Verdrahtungsaufwand und zeitgemäßer Fehlerdiagnose, während eine VPS eher unflexibel und wartungsintensiver ist.

Der Einsatz einer SPS empfiehlt sich daher letztendlich für häufig wechselnde und erweiterbare Steuerungsaufgaben im gesamten Bereich der Automatisierung, während eine VPS für einfache, stets unveränderte Aufgaben geeignet ist.

Warum wurde die Ladder Diagram-Entwicklung für SPS so populär?

Im Zusammenhang mit den Erläuterungen zur Funktionsweise einer SPS und deren Programmierung fiel zu Beginn des Beitrags u.a. auch der Begriff „Ladder Logic“.

Die Ladder Diagramm-Entwicklung (auch Kontaktplan oder eben Ladder Logic genannt) wurde für die SPS so populär, weil sie sich stark an den traditionellen Relaisschaltplänen orientiert, die vor der Einführung der SPS in der Industrie weit verbreitet waren.

Die Ladder Logic ist nicht das Ergebnis der Entwicklung einer Einzelperson, sondern entstand aus der Elektrotechnikpraxis. Sie diente ursprünglich zur grafischen Darstellung der Verdrahtung und Funktionsweise von Relaissteuerungen. Diese Form der Darstellung wurde dann später als Programmiersprache für die ersten SPS übernommen, um Ingenieuren und Technikern, die schon mit Relaisschaltplänen vertraut waren, den Umstieg auf die digitale Steuerung zu erleichtern.

Welche Vor- aber auch Nachteile hat die Ladder Logic?

Die Kontaktplanlogik ist Teil der Norm IEC 61131-3, die die Programmiersprachen für speicherprogrammierbare Steuerungen definiert. Diese Standardisierung ermöglicht eine grundlegende Vereinheitlichung der Programmiersprache über verschiedene SPS-Hersteller hinweg. Als einer der ersten verfügbaren Programmiersprachen hat Ladder Logic einen besonderen Status in der Industrie erlangt, da sie gegenüber anderen Sprachen einen gewissen Vorsprung in der Verbreitung hatte.

Der grafische Aufbau der Ladder Logic ähnelt elektrischen Schaltplänen, wodurch sie weniger abhängig zu textuellen Unterschieden der SPS-Hersteller ist. Alle grundlegenden Symbole für Kontakte, Spulen sowie weiterer Elemente sind weitestgehend standardisiert. Aufgrund der Ähnlichkeit mit elektrischen Schaltplänen ist die Ladder Logic für Ingenieure und Techniker leicht verständlich, und das unabhängig vom Hersteller einer SPS.

Die Ladder Logic ist gewissermaßen eine Universalsprache in der Automatisierungstechnik, da sie von den meisten SPS-Herstellern unterstützt wird. Nahezu alle namhaften Hersteller wie Siemens, Allen-Bradley oder Schneider Electric bieten Ladder Logic als Programmiersprache an.

Erklärung

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Trotz aller Vorzüge gibt es dennoch einige Einschränkungen. Obgleich die Grundstruktur der Ladder Logic standardisiert ist, haben viele Hersteller eigene Erweiterungen und Anpassungen vorgenommen, die mit einer eingeschränkten Portabilität einhergehen.

Bei den Bestandteilen der Software-Bibliotheken gibt es meist Unterschiede von Hersteller zu Hersteller, wodurch die Übertragung von Programmen zwischen unterschiedlichen SPS erschwert wird. Auch die Adressierschemata können unterschiedlich sein (z. B. Byte-weise oder 16-Bit-weise), was im Vorfeld der Übertragung der Programme zu berücksichtigen ist.

Die Ladder Logic ist aufgrund ihrer historischen Verbreitung, Standardisierung und intuitiven grafischen Darstellung wohl eine der kompatibelsten Programmiersprachen für SPS-Systeme verschiedener Hersteller. Allerdings wurde die einfache Übertragung zwischen unterschiedlichen SPS-Systemen durch herstellerspezifische Besonderheiten und Modifikationen erschwert.

Wer ist bis heute an der Weiterentwicklung und -verbreitung der SPS beteiligt?

Die Anfänge

Auf die Ursprünge der SPS (1960er-1970er-Jahre) wurde bereits zu Beginn dieses Beitrags eingegangen.

In Deutschland brachten Firmen wie Klaschka und Pilz Anfang der 1970er-Jahre die ersten SPS auf den Markt. Siemens steigt 1973 mit der Simatic S3 in den Markt der SPS ein und wird europaweit zu einem der führenden Anbieter. Weitere wichtige Anbieter waren (und sind) Allen-Bradley (später Teil von Rockwell Automation) mit einer starken Präsenz auch in der Standardisierung in Nordamerika sowie Omron, Keyence, Mitsubishi Electric und Toshiba als asiatische Anbieter.

Die Weiterentwicklung und Standardisierung

Anfangs waren SPS insbesondere in großen Industrieanlagen zu finden. Mit der Miniaturisierung und weiteren sinkenden Kosten wurden sie ab den 80er-Jahren auch wirtschaftlich für kleinere Maschinen interessant und verdrängten die verbindungsprogrammierten Steuerungen fast vollständig. Zu einem Meilenstein gehörte die Präsentation der Simatic S5 von Siemens auf der Hannover Messe 1979.

Übergang zu PC-basierten Steuerungen

Mit Beginn der 1990er-Jahre und in der Folgezeit bis etwa zum Jahr 2000 fand der Übergang der SPS zu einer PC-basierten Steuerung statt, wobei auch die Integration von Ethernet und Feldbussystemen wie z. B. Profibus oder Canopen erfolgte. Siemens führte in dieser Zeit die Simatic S7-Reihe ein, die bis heute weit verbreitetet ist.

Die Norm IEC61131-3 wird in diesem Zeitraum als internationaler Standard für die SPS-Programmiersprachen etabliert.

Industrie 4.0 und die Zukunft der SPS

Ab den 2010er-Jahren gewann Industrie 4.0, IIoT (Industrial Internet of Things), Edge Computing und die Cloud-Integration zunehmend an Bedeutung. Die Webbasierte Programmierung, die Virtualisierung, die Simulation mittels digitaler Zwillinge und nicht zuletzt künstliche Intelligenz (KI) bereiten den Weg in die Zukunft der SPS. Zu den wichtigen Anbietern in diesem Bereich gehören u.a. Siemens (z. B. Simatic S7-1200/1500, TIA Portal), Rockwell Automation (Allen-Bradley Control Logix, Compact Logix), Schneider Electric z. B. mit der Medicon-Serie, Beckhoff Automation als Pionier für PC-basierte Steuerungen und Ethercat, Wago und B&R Automation als heutiger Teil von ABB sowie Phoenix Contact und Bosch Rexroth.

Anbieter von SPS (Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit)

• ABB

• Bachmann

• B&R

• Beckhoff Automation

• Bosch Rexroth

• Codesys

• Emerson

• Festo

• Jumo

• Mitsubishi Electric

• Omron

• Pilz

• Phoenix Contact

• Rockwell Automation (Allen-Bradley)

• Schneider Electric

• Siemens

• Wago

• Yokogawa

Quellen:

WikipediaSPS TutorialArtschwager + KohlUnitronicsHermos AutomationUni BremenHochschule Hamm-LippstadtRS ComponentsADM ElectronicOnlogicWeinsolutionsLintycoMochuan DrivesKwocoHighleap ElectronicConradhttps://www.elektrikerwissen.de/unterschied-vps-vs-spsElectronicaRealparsSchneider ElectricMROcq.cxvorsichtwissen.de

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