Speicherprogrammierbare Steuerung

Was ist eine SPS? Definition, Grundlagen und Funktion

| Redakteur: Katharina Juschkat

(Bild: ©XtravaganT - stock.adobe.com)

Speicherprogrammierbare Steuerungen werden zur Steuerung oder Regelung von Maschinen und Anlagen eingesetzt. Wir geben einen Überblick über die Funktion, die Vor- und die Nachteile.

Bei einer speicherprogrammierbaren Steuerung, kurz SPS, handelt es sich um eine Komponente, die programmiert und eingesetzt wird, um eine Anlage oder Maschine zu regeln bzw. zu steuern. Eingesetzt werden SPS in unterschiedlichen Branchen, wobei sie sich unter anderem in Härteprüfmaschinen, Spritzgussmaschinen oder vollautomatischen Produktionsanlagen finden.

Definition: Was ist eine SPS?

Der Begriff „SPS“ leitet sich vom englischen Terminus „Programmable Logic Controller“, kurz PLC, ab. Definiert wird die speicherprogrammierbare Steuerung nach der EN 61131 folgendermaßen:

„Eine SPS ist ein digital arbeitendes elektronisches System für den Einsatz in industriellen Umgebungen mit einem programmierbaren Speicher zur internen Speicherung der anwenderorientierten Steuerungsanweisungen zur Implementierung spezifischer Funktionen wie z.B. Verknüpfungssteuerung, Ablaufsteuerung, Zeit-, Zähl- und arithmetische Funktionen, um durch digitale oder analoge Eingangs- und Ausgangssignale verschiedene Arten von Maschinen und Prozessen zu steuern.“ (EN 61131, Teil 1)

In SPSen können spezifische Funktionen wie beispielsweise eine Ablaufsteuerung implementiert werden, so dass auf diese Weise sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangssignale von Prozessen oder Maschinen gesteuert werden können.

Historischer Exkurs: Speicherprogrammierbare Steuerung

Wann genau die Erfolgsgeschichte speicherprogrammierter Steuerungen ihren Anfang hat, ist nicht genau bekannt bzw. umstritten. Einerseits werden die Ursprünge der SPS auf das Ende der 1950er Jahre datiert – denn in von zahlreichen Autoren wird das Jahr 1958 mit der Eintragung des Warenzeichens „Simatic“, der mittlerweile zu einem Synonym von SPS avanciert ist, als Meilenstein für die speicherprogrammierbaren Steuerungen gesehen. Andere Autoren datieren den Beginn der SPS-Technik auf das Ende der 1960er Jahren und führen an, dass die speicherprogrammierbare Steuerung damals in den Vereinigten Staaten von Amerika entwickelt worden sei.

Fakt ist: Zu dieser Zeit wurden Forderungen der Automobilindustrie laut, die besagten, dass ein flexibler Ersatz für herkömmliche elektromechanische Steuerungen notwendig sei. Dies wiederum wurde darauf zurückgeführt, dass die traditionellen Steuerungen dem rasch steigenden Automatisierungsgrad nicht mehr gerecht wurden.

Als Entwickler der SPS gilt allgemein Richard E. Morley, der im Jahr 1969 ein Modicon, d.h. ein auf einem Halbleiter basierendes Logiksystem, vorstellte. Bereits einige Jahre später, nämlich 1974, kam auch in Deutschland die erste SPS von Klaschka und Pilz auf den Markt. Im Jahr 1979 folgten diesem Beispiel weitere Hersteller in Deutschland. Seitdem haben sich zahlreiche Hersteller auf dem europäischen Markt etabliert. Während einige der etwa 300 Unternehmen die speicherprogrammierbaren Steuerungen für nahezu alle Einsatzzwecke produzieren, haben sich die meisten Hersteller auf ganz bestimmte Nischen spezialisiert.

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Die Funktionsweise einer SPS

Handelt es sich um eine einfache SPS, verfügt diese über Eingänge, Ausgänge sowie ein Betriebssystem, d.h. Firmware, und eine Schnittstelle. Über diese Schnittstelle kann das jeweilige Anwenderprogramm geladen werden. Dieses definiert zudem, auf welche Art und Weise die Ausgänge in Abhängigkeit der Eingänge geschaltet werden.

Durch das Betriebssystem wird zudem garantiert, dass das Anwenderprogramm stets über den aktuellen Zustand der Geber verfügt. Letztlich erfolgt die Schaltung der Ausgänge anhand des Anwenderprogramms derart, dass die Anlage bzw. die Maschine in der vorgesehenen Art und Weise arbeitet.

Um die speicherprogrammierbare Steuerung an die Anlage bzw. Maschine anzubinden, kommen sowohl Aktoren, die im Allgemeinen an den Ausgängen der speicherprogrammierbaren Steuerung angeschlossen sind, als auch Sensoren zum Einsatz. Des Weiteren werden Statusanzeigen verwendet. Grundsätzlich befinden sich die Sensoren an den SPS-Eingängen, wobei durch sie die speicherprogrammierbare Steuerung Informationen darüber erhält, was in der Anlage bzw. Maschine vonstattengeht.

Als Sensoren gelten beispielsweise:

  • Lichtschranken
  • Endschalter
  • Taster
  • Inkrementalgeber
  • Füllstandsensoren
  • Temperaturfühler
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Als Aktoren gelten z.B:

  • Schütze zum Einschalten elektrischer Motoren
  • elektrische Ventile für Druckluft oder Hydraulik
  • Antriebssteuerungsmodule

In Bezug auf eine SPS ist zudem anzumerken, dass ihre Realisierung auf verschiedene Art und Weise erfolgen kann. Das heißt, sie kann als Einzelgerät, als Softwareemulation, als PC-Einsteckkarte usw. verwirklicht werden. Häufig finden sich auch modulare Lösungen, im Rahmen derer die SPS aus mehreren Steckmodulen zusammengebaut wird.

Handelt es sich um Einzelgeräte, weisen diese differente Vorteile hinsichtlich der Miniaturisierung auf und sind preiswerter, wenn sie kleinere Aufgaben der Automatisierung erfüllen sollen. Handelt es sich dagegen um Geräte, die einen modularen Aufbau aufweisen, verfügen sie über die charakteristischen Vorteile, die einem Baukasten- bzw. Modulsystem innewohnen. Im Allgemeinen handelt es sich um eine problemlose Erweiterbarkeit, enorme Flexibilität sowie Kosteneinsparungen aufgrund des Einsatzes einer Vielzahl gleicher Module; diese können zudem in hohen Stückzahlen produziert werden.

Anwendungs- bzw. Praxisbeispiele für SPS

Aufgrund der Tatsache, dass SPSen es ermöglichen, wiederholbare Prozesse ebenso einfach durchzuführen wie die Informationsbeschaffung, kommen sie in vielen verschiedenen Bereichen zum Einsatz. In der Stahlindustrie, der Medizintechhnik, der Getränkeindustrie, und eigentlich in allen industriellen Bereichen, die automatisiert ablaufen, kommen auch SPSen zum Einsatz. Und nicht nur in Industrieanlagen, auch im täglichen Leben begegnen uns SPSen täglich, etwa in Ampeln, Aufzügen, Kläranlage oder einer Rolltreppe.

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Soft-SPS

Mittlerweile existieren auch sogenannte Soft-SPSen, wobei zum einwandfreien Funktionieren derselben eine zuverlässige Hardware ebenso unerlässlich ist wie die Installation eines Betriebssystems.

Grundsätzlich muss sich eine speicherprogrammierbare Steuerung in Softwareform die PC-Prozessorleistung mit dem Betriebssystem teilen, wobei in bestimmten Fällen hierzu noch eine installierte Anwendersoftware kommen kann.

Der Prozessor des PCs hat demnach die Aufgabe auf der einen Seite die absolut deterministisch und in Echtzeit ablaufenden Programme der SPS abzuarbeiten, andererseits werden an den Prozessor des PCs weitere Anforderungen von anderer Software gestellt. Diese Software stellt in der Regel niedrigere Ansprüche als die SPS – und zwar sowohl in Bezug auf das deterministische Zeitverhalten als auch die Zuverlässigkeit.

Problematisch gestaltet sich allerdings, dass der Prozessor des PCs sozusagen zwischen den beiden Anwendungswelten hin- und herswitchen muss, denn dies kann sich negativ auf die Leistungsfähigkeit der Soft-SPS auswirken.

Hersteller von SPS

Speicherprogrammierbare Steuerungen werden weltweit von verschiedenen Herstellern produziert, wobei Siemens das Unternehmen mit den weltweit größten Marktanteilen ist. Zu den größten SPS-Herstellern rund um den Globus zählen unter anderem:

  • Siemens
  • Rockwell Automation
  • Mitsubishi Electric
  • Schneider Electric
  • Omron
  • GE Fanuc
  • Moeller
  • Hitachi
  • Fuji Electric

Die Vorteile einer SPS im Überblick

Im Folgenden werden die Vorteile im Vergleich zu einer verbindungsprogrammierten Steuerung (VPS) dargestellt.

Grundsätzlich vereinfachte Änderungen

Soll eine Steuerung realisiert bzw. implementiert werden, gelingt dies im Allgemeinen nicht sofort. In der Regel wird diese stattdessen sukzessive perfektioniert. Erst nach differenten Modifikationen ist meist das angestrebte Ergebnis erreicht. Während bei einer verbindungsprogrammierten Steuerung die Verdrahtung in regelmäßigen Abständen geändert werden muss, gestaltet sich dies bei einer speicherprogrammierbaren Steuerung weitaus einfacher, denn es muss lediglich das Programm geändert werden. Hierdurch kommt es zu einer deutlichen Verringerung des Zeitaufwandes für Modifikationen der Steuerung. Des Weiteren ist es möglich, späte Änderungen des Programms durchzuführen.

Raumbedarf und Material

Im Allgemeinen werden die Realisierung und Auswertung der Zähl- und Zeitfunktion, das Auswerten unterschiedlicher Zustände sowie Verknüpfungen bei einer speicherprogrammierbaren Steuerung intern durchgeführt. Auf diese Weise werden die Kosten für die Materialien (beispielsweise Zeitrelais und Hilfsschütze) eingespart, welche bei einer verbindungsprogrammierten Steuerung anfallen würden.

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Programme vervielfachen

Wurde ein Steuerprogramm einmal geschrieben, kann es so häufig wie gewünscht eingesetzt und kopiert werden. Anders gestaltet sich dies bei einer VPS, denn es müsste jeweils eine separate Erstellung der Steuerung erfolgen. Ipso facto gestaltet sich eine SPS auch dann deutlich kosteneffizienter, wenn die Steuerungsaufgaben vervielfältigt werden sollen.

Optionen zum Dokumentieren und Kommentieren

Wird ein SPS-Programm geschrieben, ist es möglich und auch sinnvoll, wenn zu den jeweiligen Anweisungen auch hilfreiche Kommentare verfasst werden. Auf diese Weise können später existierende Programme weitaus einfacher verstanden und gegebenenfalls modifiziert werden.

Zeiteffizienz bzw. Zeitersparnis

Speicherprogrammierbare Steuerungen sind benötigen weniger Montagearbeit, Materialaufwand und Verdrahtung. Aus diesem Grund können etwaige Projekte in einem weitaus kürzeren Zeitrahmen realisiert werden. Zudem ist ein Bearbeiten in Gruppen möglich, so dass Teilkomponenten erstellt und später zusammengefasst werden.

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Ferndiagnose und Fernwartung

Ein weiterer Vorteil von speicherprogrammierbaren Steuerungen besteht darin, dass die Steuerung des jeweiligen Programms auch von einem anderen Ort aus völlig unproblematisch erfolgen kann. Gleiches gilt für die Überwachung und die Modifikation des Programms - summa summarum handelt es sich bei einer SPS also um eine enorm praktische Lösung.

Weitere Vorteile

Darüber hinaus weisen SPS noch zahlreiche weitere Vorteile auf: So punkten sie mit einem niedrigen Verbrauch an Energie, differenten Vernetzungsmöglichkeiten mit weiteren IT-Anlagen sowie ihrer sehr hohen Zuverlässigkeit.

Die Nachteile einer speicherprogrammierbaren Steuerung

Grundsätzlich weisen speicherprogrammierbare Steuerungen nur geringe Nachteile auf. Ein Nachteil ist jedoch, dass für nur wenig komplexe oder kleine Anlagen eine SPS zu teuer ist.

Des Weiteren besteht die Notwendigkeit nach zusätzlicher Infrastruktur und Technik wie beispielsweise Sicherungssätze, Datenträger, Programmiergeräte usw. Hinzu kommt zudem, dass zur Umsetzung von speicherprogrammierbaren Steuerungen gut ausgebildetes und entsprechend qualifiziertes Personal notwendig ist.

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