Speicherprogrammierbare Steuerung

mini|Baugruppenträger mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS; , PLC) ist ein Gerät, das zur Steuerung oder Regelung einer Maschine oder Anlage eingesetzt und auf digitaler Basis programmiert wird. Sie löste die „festverdrahtete“ verbindungsprogrammierte Steuerung in den meisten Bereichen ab.Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik, IND.2.2, Einleitung, abrufbar unter https://www.bsi.bund.de/SharedDocs/Downloads/DE/BSI/Grundschutz/IT-GS-Kompendium_Einzel_PDFs_2022/08_IND_Industrielle_IT/IND_2_2_Speicherprogrammierbare_Steuerung_Edition_2022.pdf

In neueren Systemen werden in speicherprogrammierbaren Steuerungen sowohl PLC als auch PAC – – vereinigt.White Paper von Opto 22, 43044 Business Park Drive, Temecula, CA 92590-3614, www.opto22.com, abrufbar unter https://documents.opto22.com/1634_PAC_White_Paper.pdf

Geschichte Richard E. Morley (Modicon) und Odo J. Struger (Allen-Bradley) können als die Väter der SPS bezeichnet werden. Morley stellte 1969 eine Modicon 084 als solid-state sequential logic solver (Halbleiter-basierendes sequentielles Logiksystem) vor.

Struger war unter anderem maßgeblich an der Formulierung der zugehörigen Instituts-Standards in den USA beteiligt.

Morley wehrte sich gegen die Bezeichnung „Computer“. Er sah hierdurch die Akzeptanz bei den bisher tätigen Steuerungsfachleuten gefährdet. Daher wurde das Ladder Diagram entwickelt, das einem Stromlaufplan ähnelt. Danach gab es eine Eins-zu-eins-Umsetzung von Öffnern, Schließern, Parallel- und Serienverschaltung auf das neue Konzept.

Funktion mini|Allen-Bradley-SPS

Eine speicherprogrammierbare Steuerung hat im einfachsten Fall Eingänge, Ausgänge, ein Betriebssystem (Firmware) und eine Schnittstelle, über die das Anwenderprogramm geladen werden kann. Das Anwenderprogramm legt fest, wie die Ausgänge in Abhängigkeit von den Eingängen geschaltet werden sollen.

Das Betriebssystem stellt sicher, dass dem Anwenderprogramm immer der aktuelle Zustand der Geber zur Verfügung steht. Anhand dieser Informationen kann das Anwenderprogramm die Ausgänge so schalten, dass die Maschine oder die Anlage in der gewünschten Weise funktioniert.

Die Anbindung der SPS an die Maschine bzw. Anlage erfolgt mit Sensoren und Aktoren. Hinzu kommen Statusanzeigen. Die Sensoren sind an die Eingänge der SPS geschaltet und vermitteln der SPS das Geschehen in der Maschine oder Anlage. Beispiele für Sensoren sind z. B. Taster, Lichtschranken, Inkrementalgeber, Endschalter, oder auch Temperaturfühler, Füllstandssensoren etc. Die Aktoren sind an den Ausgängen der SPS angeschlossen und bieten die Möglichkeit, die Maschine oder Anlage zu steuern. Beispiele für Aktoren sind Schütze zum Einschalten von Elektromotoren, elektrische Ventile für Hydraulik oder Druckluft, aber auch Module für Antriebssteuerungen (Motion Control, Drehzahlsteuerung mit kontrollierter Beschleunigung oder Verzögerung, Schrittmotorsteuerungen).

Eine SPS kann in sehr verschiedener Weise realisiert sein, z. B. als Einzelgerät („Baugruppe“), als PC-Einsteckkarte, als Softwareemulation etc. Weit verbreitet sind modulare Lösungen, bei denen die SPS aus einzelnen Steckmodulen (ebenfalls als Baugruppen bezeichnet) zusammengesetzt wird. Das Thema Antriebssteuerung (Motion Control, Drehzahlsteuerung mit kontrollierter Beschleunigung oder Verzögerung) wird zunehmend mit der SPS verbunden.

Einzelgeräte bieten Vorteile bei der Miniaturisierung und sind für kleinere Automatisierungsaufgaben preiswerter. Ein modularer Aufbau bietet die typischen Vorteile eines Baukastensystems: Hohe Flexibilität, Erweiterbarkeit und in größeren Anlagen Kostenersparnis durch die Verwendung vieler gleicher Module, die in großen Stückzahlen hergestellt werden können.

Auf vielen Gebieten hat die SPS die zuvor festverdrahtete Anordnung von Relais abgelöst (Verbindungsprogrammierte Steuerung). Preiswerte Baugruppen, Standardisierung der Steuerungsaufgabe und hohe Flexibilität sind kennzeichnend für das SPS-Konzept.

Derzeitige SPS-Baugruppen übernehmen neben der Kernaufgabe (Steuerung und Regelung) zunehmend auch weitere Aufgaben: Visualisierung (Gestaltung der Schnittstelle Mensch-Maschine), Alarmierung und Aufzeichnung aller Betriebsmeldungen (Data-Logging).

Ebenfalls erfolgt zunehmend die Verbindung der Sensoren und Aktoren mit der SPS über einen Feldbus und nicht mehr diskret. Hierdurch verringert sich der Verdrahtungsaufwand. Seit einiger Zeit werden auch nicht nur Sensoren und Aktoren, sondern Teile der SPS wie Eingangs- und Ausgangsbaugruppen über einen Bus und (Bus-)Interfacemodule an eine Zentralstation angebunden (dezentrale Peripherie). Die Bussysteme werden in modernen Anlagen von Netzwerken (Profinet) abgelöst oder durch diese ergänzt. Gegenüber Bussystemen sind Netzwerke (Ethernet) flexibler und schneller.

Schließlich erfolgen auch zunehmend Anbindungen an die Verwaltungsrechner von Firmen (vertikale Integration). So stehen z. B. immer aktuelle Daten über Fertigungsstände, Lagerbestände etc. zur Verfügung („vernetzte Fabrik“).

So wird der Unterschied zwischen einer modernen SPS und einem Prozessleitsystem immer kleiner. Die technische Weiterentwicklung verläuft ähnlich rasant wie in der Computertechnik generell.

Die verschiedenen Konzepte mini|Bauformen speicherprogrammierbarer Steuerungen Unterschiede nach Verarbeitungsablauf Zyklusorientierte SPS Zyklusorientierte SPS-Geräte arbeiten streng nach dem EVA-Prinzip (Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe). Der Ablauf erfolgt in wiederkehrenden Zyklen: Initialisierung: Nach der Feststellung der Betriebsbereitschaft werden die Eingänge abgefragt und das Prozessabbild der Eingänge aktualisiert. Anwenderprogramm: Dieses verarbeitet die Eingangswerte und erstellt das Prozessabbild der Ausgänge. Es erlaubt bedingte Aufrufe und Verzweigungen, was unterschiedliche Laufzeiten zur Folge haben kann. Ausgabe: Das Betriebssystem überträgt das Ausgangsabbild an die Peripherie. Die Zykluszeit beträgt typischerweise 1 bis 10 Millisekunden. Bei leistungsstarken Modellen oder kleinen Programmen sind auch Zeiten bis 100 µs möglich. Einige Modelle bieten die Möglichkeit eines festen oder asynchronen Zyklus. Zyklische SPS mit Unterbrechungsverarbeitung Für Sonderfälle gibt es spezielle Eingangskarten, die beim Statuswechsel eines angeschlossenen Sensors an das Betriebssystem einen Alarm (Interrupt) melden. Dieses unterbricht das laufende Programm und ruft ein extra für diese Situation angepasstes Anwenderprogrammmodul (engl. ) auf und setzt danach das unterbrochene Programm fort. So können zeitkritische Aufgaben, die mit der Zykluszeit in Konflikt stehen, bewältigt werden. Ereignisgesteuerte SPS Eine weitere Gruppe arbeitet ereignisgesteuert. Die meisten dieser Systeme sind zugleich auch objektorientiert. Das Betriebssystem listet alle „Ereignisse“ – Statuswechsel eines Sensors – auf und arbeitet in dieser Reihenfolge die entsprechenden Anwenderprogrammteile ab. Alle Sensoren werden dabei berücksichtigt und kein Sensor wird „verschlafen“. Vorteile hat dieses Konzept im Vergleich zu den zyklusorientierten Systemen in der Regel durch die zusätzliche Objektorientierung, welche für die gleichzeitige Visualisierung genutzt werden kann.

Unterschiede nach Modularität Modulare SPS Die Steuerung besteht aus einzelnen Komponenten, die jeweils eine andere Aufgabe erfüllen. Das einfachste Beispiel wäre eine SPS, die aus einer zentralen Rechenbaugruppe (mit dem Hauptprozessor) und mindestens einer Eingabe und einer Ausgabebaugruppe besteht. Diese Systeme lassen sich durch das Hinzufügen von Baugruppen erweitern, wenn etwa mehr Eingänge oder Ausgänge gewünscht sind. Mit spezialisierten Modulen, z. B. einem Modul mit einer seriellen Schnittstelle, lassen sich auch Komponenten wie z. B. Wetterstationen integrieren. Verarbeitung analoger Eingangssignale, komplexe Regelungsmodule und zahlreiche weitere Module können ergänzt werden.

Kompakt-SPS

Kompaktsteuerungen sind nicht oder nur eingeschränkt erweiterbar, jedoch entsprechend preiswerter und platzsparend. Sie bieten ansonsten dieselben Grundfunktionen wie modulare SPS.

Chip / Eingebettete -SPS Steuerungen für kleine Maschinen mit einem geringen oder mittleren Volumen. Beispielhaft sind hier PLCs, welche PLC-Sprachen wie Kontaktplan, Flow-Chart oder Grafcet ausführen können. Sie ähneln herkömmlichen SPS. Entwickler haben jedoch aufgrund ihrer geringen Größe die Möglichkeit, sie wie einen Mikrocontroller in kundenspezifische Leiterplatten einzubauen, ohne dabei Programmierkenntnisse voraussetzen zu müssen, da die Programmiersprache einfach zu verwenden, zu ändern und zu warten ist. Sie liegen zwischen der klassischen SPS / Mikro-SPS und den Mikrocontrollern.

Sonderformen Für den Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen und deren hohen Ansprüchen sind seit 1980 Sonderformen auf dem Markt. „Mobile Automation“: Diese Kompakt-SPS haben aufgrund der großen Umgebungseinflüsse ein geschlossenes Metall-Gehäuse. Ein weiteres Merkmal ist die Fähigkeit, direkt hydraulische Ventile proportional anzusteuern. Einsatzfelder sind: Baumaschinen, Kräne, Hebebühnen und Kommunalfahrzeuge.

Weitere Typen und Eigenschaften einer SPS Einige Beispiele für verschiedene Baugruppen eines modularen Systems:

mini|hochkant=1.2|SPS und zugehörige Erweiterungsmodule, untergebracht in einem Schaltschrank

Zentralbaugruppe (Sitz des Hauptprozessors) Anschaltungen: Baugruppen zum Anbinden eines Feldbus-Systems Busmodule (Schraub- oder Crimpklemmen, Alarmierung) Digitale Eingangskarte (meist Potentialtrennung mittels Optokoppler) Digitale Ausgangskarte (offener Kollektor oder Relais) Analoge Eingangskarte Analoge Ausgangskarte

Im Gegensatz dazu gibt es auch integral aufgebaute Steuerungen, d. h. SPS-Systeme, die aus einer einzigen Komplett-Einheit bestehen. Es gibt auch Mischformen.

Eigensicherer oder nicht eigensicherer Aufbau: Eigensichere Anlagen sind elektrisch so ausgelegt, dass auch im Fehlerfall kein Funke entstehen kann, der ein zündfähiges Gemisch zur Explosion bringen könnte. Ein Merkmal solcher Geräte ist die Begrenzung von Ein- und Ausgangsströmen (0 bzw. 4–20 mA). Ein Anwendungsgebiet für eigensichere Geräte sind z. B. Chemieanlagen.

Als Soft-SPS werden Softwarepakete bezeichnet, die auf einem PC lauffähig sind. In der Praxis werden häufig industrietaugliche PC-Ausführungen gewählt, obwohl dies auch mit handelsüblichen Personal Computern möglich ist. Die Peripherieanbindung (Sensoren und Aktoren) erfolgt entweder seriell über Bussysteme oder mit inzwischen handelsüblichen Ein- und Ausgangskarten. Diese Systeme arbeiten ohne einen speziellen Bitprozessor und erreichen deshalb gelegentlich noch nicht die notwendige Geschwindigkeit. Sie sind daher nur für nicht-zeitkritische Anwendungen geeignet. Als Slot-SPS wird eine Einbaukarte für den PC bezeichnet. Auf dieser befinden sich in der Regel ein Bitprozessor und das SPS-Betriebssystem.

Ein weiteres Konzept ist Grundlage für die hochverfügbaren und die sicherheitsgerichteten Geräte. Neben der Ausfallgefahr durch hohe Temperaturen gibt es andere Gründe für den möglichen Ausfall einer Baugruppe. Diese kann man durch den Begriff „Alterung“ zusammenfassen. Dazu gehört auch das Thema Korrosion. Abhängig von der (finanziellen) Schadenshöhe, die durch einen Stillstand der Anlage im Fehlerfall verursacht wird, können mehrere SPS-Baugruppen einsetzen. Diese arbeiten gleichzeitig an derselben Steuerungsaufgabe (miteinander synchronisiert). Dies ist ein redundantes, mehrkanaliges System. Im Konfliktfall wird eine Alarmmeldung erzeugt und die Anlage läuft weiter. So wird Zeit gewonnen, um die schadhafte Baugruppe auszutauschen. In dem (statistisch) unwahrscheinlichen Fall, dass das Schwestersystem ebenfalls ausfällt, steht die Anlage.