Definition Was ist eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)?

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Eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) kommt in industriellen Umgebungen zur automatisierten Steuerung und Regelung von Maschinen, Anlagen und Prozessen zum Einsatz. Das digitale, elektronische System ist programmierbar und setzt sich aus verschiedenen Einzelkomponenten zusammen. Eine SPS kann als modulares System, als kompaktes Gerät oder als eingebettete Chip-Lösung realisiert sein.

SPS ist das Akronym für Speicherprogrammierbare Steuerung. Der englische Fachbegriff für SPS lautet Programmable Logic Controller, abgekürzt PLC. Bei einer Speicherprogrammierbaren Steuerung handelt es sich um ein digitales, elektronisches System, das zur automatisierten Steuerung und Regelung von Maschinen, Anlagen und Prozessen in industriellen Umgebungen zum Einsatz kommt.

Eine SPS ist programmierbar und setzt sich aus mehreren funktionalen Einzelkomponenten wie Eingängen, Ausgängen, Betriebssystem und Schnittstellen zusammen. Das SPS-Programm legt fest, wie die Ausgänge mit den verbundenen Aktoren in Abhängigkeit von den Eingängen und den daran angeschlossenen Sensoren angesteuert werden. Der Verarbeitungsablauf der Signale ist zyklus- oder ereignisorientiert. Neben der Steuerung von Anlagen, Maschinen und Prozessen ermöglicht eine SPS auch deren Überwachung. Speicherprogrammierbare Steuerungen können als modulares System, als kompaktes Gerät oder als eingebettete Chip-Lösung realisiert sein.

Gegenüber einer Verbindungsprogrammierten Steuerung (VPS), auch als fest verdrahtete Steuerung bezeichnet, ist eine SPS wesentlich flexibler einsetzbar. In vielen Bereichen haben Speicherprogrammierbare Steuerungen Verbindungsprogrammierte Steuerungen abgelöst. In der europäischen Norm EN 61131 sind die Grundlagen Speicherprogrammierbarer Steuerungen beschrieben und definiert.

Funktionsweise und Komponenten der SPS

Grundsätzlich lassen sich Speicherprogrammierbare Steuerungen auf unterschiedliche Art realisieren. Die funktionalen Komponenten einer SPS sind immer gleich. Prinzipiell besteht eine SPS aus:

• Eingängen

• Ausgängen

• Betriebssystem (Firmware)

• Schnittstellen

Das Betriebssystem stellt die Funktionsbasis der SPS zur Verfügung und ermöglicht die Ausführung der Programme. Die individuell erstellten Programme lassen sich über eine Schnittstelle in die Steuerung laden und werden vom Betriebssystem abgearbeitet. An den Eingängen einer SPS sind Sensoren, an den Ausgängen Aktoren angeschlossen. Beispiele für Sensoren sind Temperatursensoren, Füllstandsmelder oder Lichtschranken. Als Aktoren kommen beispielsweise elektrische Ventile oder Ansteuerungen von Schrittmotoren zum Einsatz.

Über die Sensoren und Aktoren sind die Speicherprogrammierbaren Steuerungen mit den zu steuernden Maschinen, Anlagen und Prozessen gekoppelt. Das Anwendungsprogramm legt fest, wie die Ausgänge mit ihren verbundenen Aktoren in Abhängigkeit von den Eingängen und den daran angeschlossenen Sensoren angesteuert werden sollen. Über Statusanzeigen werden Informationen über den aktuellen Betriebszustand der Anlagen, Maschinen und Prozesse signalisiert.

Unterscheidung verschiedener SPS-Typen nach Verarbeitungsablauf

Abhängig vom Verarbeitungsablauf kann zwischen verschiedenen SPS-Typen unterschieden werden. Diese Typen sind:

• Speicherprogrammierbare Steuerungen mit zyklusorientiertem Verarbeitungsablauf

• Speicherprogrammierbare Steuerungen mit zyklusorientiertem Verarbeitungsablauf und Unterbrechungsverarbeitung

• Speicherprogrammierbare Steuerungen mit ereignisgesteuertem Verarbeitungsablauf

Bei einem zyklusorientierten Verarbeitungsablauf wiederholen sich Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe in einem festgelegten, sich immer wiederholenden Zyklus. Ein vollständiger Programmzyklus liegt in der Regel im Bereich von wenigen Millisekunden oder sogar nur Mikrosekunden.

Ein zyklischer Verarbeitungsablauf mit Unterbrechungsverarbeitung unterscheidet sich von einem rein zyklischen Verarbeitungsablauf dadurch, dass ein Ereignis eine Unterbrechung des Programmzyklus (Interrupt) auslöst und ein alternativer Programmcode abgearbeitet wird. Nach der Abarbeitung dieses alternativen Programms, kehrt das System in den zyklischen Verarbeitungsablauf zurück.

Bei einem ereignisgesteuerten Verarbeitungsablauf sind die auszuführenden Programmteile von eintretenden Ereignissen abhängig. Je nach Ereignis wird ein bestimmter Programmcode aufgerufen und abgearbeitet.

Verschiedene Realisierungskonzepte

Speicherprogrammierbaren Steuerungen können auf unterschiedliche Art realisiert sein. Ein oft vorzufindendes Realisierungskonzept ist die modulare SPS. Sie besteht aus vielen Einzelkomponenten (zum Beispiel Steckmodule), die jeweils spezifische Aufgaben ausführen und sich flexibel erweitern lassen.

Kompakte Speicherprogrammierbare Steuerungen sind als fester Verbund der Komponenten in einem Einzelgerät realisiert. Grundsätzlich bieten kompakte SPS den gleichen Funktionsumfang wie modulare SPS. Sie sind jedoch nur eingeschränkt erweiterbar.

Ein weiteres Realisierungskonzept einer Speicherprogrammierbaren Steuerung ist die eingebettete (embedded) SPS. Sie besteht aus einem Mikrocontroller-Board, das als einzelne Baugruppe in Form einer Platine direkt in ein zu steuerndes Gerät integriert ist.

Abgrenzung zwischen SPS und VPS

VPS steht für Verbindungsprogrammierte Steuerung. Sie wird auch als fest verdrahtete Steuerung bezeichnet und kann als Vorgänger der Speicherprogrammierbaren Steuerung betrachtet werden. In bestimmten Bereichen haben VPS nach wie vor ihre Daseinsberechtigung und werden weiterhin verwendet. Eine Verbindungsprogrammierte Steuerung besitzt keine Software, sondern bildet die Steuerungsfunktionen mithilfe fest verdrahteter elektromechanischer Module wie Relais, Schalter und Logikbausteine ab.

Verbindungsprogrammierte Steuerungen zeichnen sich durch ihre Robustheit aus, sind aber deutlich weniger flexibel als Speicherprogrammierbare Steuerungen. Müssen Änderungen an einem Steuerungsprozess vorgenommen werden, sind die Einzelkomponenten neu anzuordnen und zu verdrahten, was mit großem zeitlichen und manuellen Aufwand verbunden ist.

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