Ratgeber zu SPS

Was ist eine speicherprogrammierbare Steuerung?

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein Computer-Steuersystem, das meist für die Automatisierung elektromechanischer Prozesse zum Einsatz kommt. Dabei wird es in allerlei Anwendungen eingesetzt, darunter die Steuerung von Maschinen in zahlreichen Branchen sowie die fabrikbasierte Automatisierung von Montagelinien und vieles mehr. Das SPS-System überwacht dabei fortlaufend den Zustand der Eingabegeräte und trifft dann Entscheidungen auf der Grundlage eines individuellen Programms zur Steuerung des Zustands der Ausgabegeräte. Eine SPS ist ein ideales Beispiel für ein fest verdrahtetes Echtzeit-System, da die Ergebnisse an den Ausgängen innerhalb einer bestimmten Zeit als Reaktion auf die Eingabebedingungen erstellt werden müssen. Die Programme zur Steuerung des Betriebs einer Maschine sind dabei üblicherweise in einem RAM-Speicher mit Batterie-Backup oder in einem nicht flüchtigen Speicher abgelegt.

Vor der Entwicklung der ersten SPS in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren wurden die meisten Maschinensteuerungen und Automatisierungsaufgaben von einer Kombination aus elektromechanischen Komponenten übernommen, die oftmals so simpel ausfielen wie Relaislogik, Timer, Zähler etc. Die erste SPS war ein sehr simples Gerät mit eingeschränkten Funktionen und Speicherkapazitäten, doch im Laufe der Zeit hat ihre Leistungsfähigkeit deutlich zugenommen. Die ursprünglichen Boole'schen Funktionen wie UND und ODER wurden durch zahlreiche mathematische Funktionen und leistungsstärkere Ausgabemöglichkeiten ergänzt, darunter vor-konfigurierte Impulsbreitenmodulationsblöcke, sowie mit verbesserten Eingangs-/Ausgangszählern (E/A) und deutlich besseren Optionen zur externen Kommunikation versehen.

Im Gegensatz zu Allzweckrechnern bzw. PCs ist eine SPS auf verschiedene E/A-Anordnungen, erweiterte Temperaturbereiche, Immunität gegenüber Störgeräuschen und sogar auf Vibrations- und Stoßfestigkeit ausgelegt. Montagelinien und Maschinenfunktionen bzw. -prozesse können mit einem solchen Steuersystem erheblich verbessert werden. Ein bedeutender Vorteil einer SPS besteht darin, dass sie den jeweiligen Vorgang bzw. Prozess ändern oder wiederholen kann, während sie zugleich wichtige Informationen sammelt und kommuniziert. Ein SPS-basiertes System ist zudem stets modular aufgebaut, sodass verschiedene Stufen an E/A für bestimmte Anwendungen implementiert werden können.

 

Welche verschiedenen Arten von SPS gibt es?

Im Laufe der letzten 40 Jahre gewannen SPS zunehmend an Bedeutung, sodass heutzutage eine Reihe an Produktkategorisierungen sehr geläufig sind.

Die wohl einfachsten Anwendungen werden von Logikelementen übernommen: Diese Komponenten werden gelegentlich auch als intelligente Relais bezeichnet, bieten in der Regel eine relativ kleine Anzahl an E/A, greifen grundlegende Boole'sche Logiksteuerung auf und erfordern keinerlei High-Speed-Betrieb. Dabei werden sie in der Regel für Prozesse verwendet, die einem zuvor festgelegten Ablauf mit begrenzter bis keinerlei Abweichung folgen und in Bereichen wie Parkplatzschranken, Autowaschanlagen, Verkaufsautomaten und einfachem Verpackungsequipment zu Hause sind.

Die zweite, etwas komplexere Art ist die sogenannte kompakte SPS mit einem Plus an Verarbeitungsgeschwindigkeit und E/A-Optionen. Diese Geräte unterstützen zudem E/A-Erweiterungen und einen flexibleren Ablauf des jeweiligen Vorgangs – beispielsweise als Reaktion auf die Eingabe eines Bedieners oder als Ergebnis der Überwachung externer Bedingungen. Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen programmierbare Schneidwerkzeuge und Abschnittskontrollen von Abfüllanlagen.

Die dritte Kategorie ist die erweiterte SPS für deutlich komplexere Anwendungen mit hohen Datenmengen. Diese erfordert einen modularen Aufbau, muss bei hohen Geschwindigkeiten mit mehreren E/A arbeiten und ist zudem netzwerkfähig. Ein Beispiel hierfür ist die RFID-basierte Sortierung und Leitung von Produkten in einem Fördersystem sowie High-Speed-Etikettendrucker.

Eine vierte und deutlich aktuellere Kategorie stellt der programmierbare Automatisierungs-Controller (PAC) dar. Dieser Begriff kann weitestgehend mit SPS bzw. erweiterter SPS ausgetauscht werden. Dabei vereint ein solches Gerät zahlreiche Funktionen eines PCs und einer SPS, und bietet somit zahlreiche Vorteile beider Komponenten in einer einzigen Einheit. Manche SPS-Vertriebe zeichnen High-End-SPS oftmals als PACs aus, da diese Produkte in der Regel mehr Flexibilität bei der Programmierung sowie mehr Speicherplatz und Interoperabilität bieten und zudem zahlreiche Konnektivitäts-Optionen und breitere Steuerungsfunktionen beinhalten. Im Allgemeinen ist ein PAC besser für Automatisierungssysteme mit komplexen Architekturen geeignet, die oftmals aus zahlreichen PC-basierten Software-Anwendungen bestehen und HMI-Funktionen (Human-Machine-Interface), Asset-Management und erweiterte Prozesskontrollanforderungen umfassen.

 

Welche unterschiedlichen Programmiermethoden stehen für SPS zur Verfügung?

Ebenso wie SPS deutlich leistungsfähiger und geläufiger geworden sind, gewann auch das Programmieren an sich im Laufe der Zeit zunehmend an Komplexität. Nachdem sie ursprünglich auf besonders müheloses Programmieren ausgelegt waren, wurden frühe SPS direkt über ein Front-Panel oder einen speziellen Anschluss programmiert. Dabei konnte aufgrund der eingeschränkten Reihe an Funktionen oftmals ein spezieller Key eingefügt werden, der jedes Logik-Element des Programms darstellen konnte. Die traditionelle „Programmiersprache“ im Zusammenhang mit SPS ist eine Art Leiter-Logik, die das Programm grafisch darstellt und auf einem gleichwertigen Schaltdiagramm von Hardware mit Relais-Logik basiert. Leiter-Logiken von verschiedenen Herstellern sind in der Regel nicht kompatibel. So kann es gewissermaßen irreführend sein, Leiter-Logik als tatsächliche Programmiersprache zu betrachten, da sie vielmehr einer Programmier-Art mit Regel-basierten Sprachen entspricht.

Für mehr Effizienz im Bereich Anwendungsentwicklung bei zusätzlich gesteigerter Software-Qualität wurden einst Versuche unternommen, über die Norm IEC 61131 ein gewisses Maß an Standardisierung in SPS Programmiersysteme einzuführen. Dieser Standard erkennt vier verschiedene Programmiersprachen an: Leiterdiagramm (LD) und Funktionsblockdiagramm (FBD) als graphische Vertreter, sowie strukturierter Text (ST) und Anweisungsliste (Instruction List, IL) als textbasierte Pendants. Hinzu kommt, dass IEC 61131-3 ein sequenzielles Funktionsdiagramm (Sequential Function Chart, SFC) festlegt, das Elemente zur Organisation von Programmen zur sequenziellen und parallelen Verarbeitung beinhaltet.

 

Was ist mit HMI?

Ein zunehmend wichtiger Bestandteil von SPS ist die wachsende Integration der HMI-Technologie (Human-Machine-Interface) mit hochauflösenden Grafikdisplays und besonders robusten Touchscreens als Ersatz traditioneller Geräte wie Anzeigen, Displays und Schalter. Automatisierungs- und Industriesteuerung setzt mehr und mehr auf HMI-Funktionen für eine akkurate Steuerung in Echtzeit sowie zur Überwachung von Informationen in Industrieprozessen.

 

Wer sind die führenden Hersteller von SPS-basiertem Equipment?

Hersteller dieser Produkte gibt es in Hülle und Fülle, zu den führenden Unternehmen zählen jedoch ABB, Mitsubishi, Omron, Schneider Electric und Siemens. Sie alle führen Lösungen von relativ grundlegenden Logikelementen für kleine bzw. simple Maschinen bis hin zu komplexen, flexiblen und skalierbaren Systemen für hochgradig komplexe Steueranwendungen. Hinzu kommt eine Reihe an HMI-Touchscreens und Display-Panel-Optionen sowie Lösungen für PC-basierte Automatisierungssoftware.

 

Welche SPS sollte ich für meine Automatisierungs- und Kontrollanwendung auswählen?

Die Wahl der richtigen SPS-Plattform für Ihre Anwendung unter Berücksichtigung der derzeitigen und mittelfristigen Prozessanforderungen kann mitunter zu einer großen Herausforderung werden – ganz gleich, ob es sich um einen brandneuen Prozess oder den Ersatz einer bestehenden Steuerung handelt. Dabei ist es enorm wichtig, die jeweilige Maschine bzw. den Prozess zu verstehen: So kann bereits ein einfaches Balkendiagramm helfen, die Steuerkomponenten, E/A-Typen und -Anforderungen sowie deren tatsächliche Einbauplätze zu erkennen. Hinzu kommen bestimmte umweltbezogene Themen, die zu berücksichtigen sind, beispielsweise wenn das Logikelement oder der Prozess unter extremen Temperaturen bzw. bei extremer Feuchtigkeit betrieben wird. Diese Vorgehensweise kann bei der Planung des gesamten Systemaufbaus sowie bei der Berechnung der erforderlichen E/A und der Abwägung der Rechengeschwindigkeit gegenüber diesen E/A-Anforderungen helfen. Ebenso können zahlreiche Optionen für Netzwerke und Kommunikationsprotokolle einbezogen werden. Flexibilität bei System-Upgrades und die Möglichkeit zur Erweiterung des E/A-Moduls sollten ebenfalls berücksichtigt werden.

Als Faustregel gilt, dass ein Logikelement nur für langsamere Prozesse mit E/A-Anforderungen von weniger als 20 E/A in Erwägung gezogen werden sollte. Für alles Weitere sind kompakte bzw. mittlere SPS deutlich bessere Lösungen mit zugleich höherer Rechengeschwindigkeit. Eine erweiterte SPS bzw. ein PAC ist ebenso besser geeignet für große E/A-Anwendungen mit Netzwerken und ferngesteuerten E/A-Anforderungen. Die Menge des für das jeweilige Programm benötigten Speicherplatzes ist schwierig zu bestimmen, doch moderne SPS-Verarbeitungseinheiten kommen ohnehin mit genügend Speicher für die allermeisten Anwendungen und bieten zudem die Option, den Programmspeicher bei Bedarf zu erweitern.

 

Kann RS Components helfen?

Neben erstklassigem technischen Support und Know-how für allerlei Anwendungen führt RS auch ein breites Portfolio an Komponenten aller Art von sämtlichen oben aufgeführten Herstellern – einschließlich der für den Aufbau eines kompletten Systems erforderlichen Steuerkomponenten, darunter Control Units (CPU), E/A-Erweiterungen, Displays und andere HMI-Komponenten. Weitere Informationen über die verschiedenen Produkte erhalten Sie auf der Website von RS.