SPS – automatisierte Steuerung für die Industrie

Eine SPS ist ein digital arbeitendes elektronisches System, das mit einem programmierbaren Speicher ausgestattet ist. Auf diesem kann dann die jeweilige Steueranweisung für die passende Funktionsausübung gesichert werden. Über digitale oder analoge Ein- und Ausgänge werden dann verschiedenen Arten von Maschinen und Prozesse gesteuert.

Dank ihrer großen Flexibilität kommen SPS in vielen Bereichen der Industrie immer häufiger zum Einsatz und lösen herkömmliche verbindungsprogammierbare Steuerungen (VPS) ab. Statt einer fest verdrahteten Logik auf Basis von Relaisschaltern, bei dem sich die Steuerungsfunktion nur durch aufwendiges Umlegen verändern lässt, sind diese elektronischen Komponenten digital programmierbar und übernehmen komplexe Steuerungsaufgaben in vernetzten Produktionsprozessen der Industrie 4.0.

Typische Beispiele für den Einsatz von SPSen findet man in Produktionsanlagen, Verpackungsmaschinen, in der Getränke- und Stahlindustrie und auch im medizinischen Bereich. Doch auch im Alltag trifft man auf die digitalen elektrischen Steuerungen zum Beispiel in Ampelschaltungen, Rolltreppen, Aufzüge, Rollläden und Toranlagen oder auch in Heizungen.

• hohe Flexibilität und Einsatzvielfalt
• unkomplizierte Vervielfältigung und Änderung der Programmierung statt umständlicher Umverdrahtung
• vereinfachte Implementierung der Programmierung
• geringerer Montageaufwand
• schnelle Funktionswechsel
• hohe Zuverlässigkeit
• niedriger Energieverbrauch
• geringer Platzbedarf
• Vernetzungsmöglichkeiten mit anderen Geräten und Systemen
• Ferndiagnose und -wartung möglich

Speicherprogrammierbare Steuerungen haben nur wenige Nachteile, die in Einzelfällen für den Einsatz der herkömmlichen verbindungsprogammierbaren Steuerungen sprechen: So sind die Kosten für die Komponenten vergleichsweise hoch, sodass sich für viele Kleinsteuerungen die Anschaffung von SPS nicht lohnt. Außerdem benötigt man für einen effektiven Einsatz eine entsprechende technische Infrastruktur mit digitalen Geräten und geschultes Personal. Auch Abnahmen und Inbetriebnahmen von Anlagen können komplexer sein, da neben den Maschinenkomponenten auch die Programmroutinen und Programmierungen getestet werden müssen. Einzelne Komponenten wie Sicherheitsschaltungen oder Geräteüberwachungen werden so unter Umständen aufwendiger.

SPSen können spezifische Funktionen übernehmen, wie zum Beispiel:

• Verknüpfungssteuerung,
• Ablaufsteuerung,
• sowie Zeit-, Zähl- und arithmetische Funktionen.

Zyklusorientierte SPSen arbeiten streng nach EVA, dem Grundprinzip der Datenverarbeitung mit Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe. Die Eingänge werden abgefragt und die Kontrolle an das Anwenderprogramm abgegeben. Nach Übertragen der Steuerungssignale an die Ausgänge beginnt der Prozess von vorne.

Zyklische SPSen mit Unterbrechungsverarbeitung melden bei Statuswechsel des angeschlossenen Sensors einen Alarm und starten dann eine für die jeweilige Situation angepasste zusätzliche Programmschleife, bevor sie das Hauptprogramm fortsetzen.

Ereignisgesteuerte SPSen arbeiten spezifische vorprogrammierte Aufgaben nach einem Statuswechsel der angeschlossenen Sensoren ab.

Ihre SPS gewinnt an Effizienz mit der richtigen Zusatzausstattung und kann über die Schnittstelle auch mit Geräten erweitert werden.

• DIN-Schienen: für die optimale Montage.
• Displays und Monitore: für die direkte Anzeige von Betriebsdaten.
• HMI-Touch-Panel: für die multifunktionelle Visualisierung, Bedienung und Diagnose von Maschinen und Anlagen.
• Smart-Gateway: Maschinen und Anlagen intelligent im IoT miteinander vernetzen.

Hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise unterscheidet man zwischen Hard-SPS und Soft-SPS sowie Kompakt- und Slot-SPS.

Klassische SPSen sind Hardware-basiert, daher ihr Name Hard-SPS. Sie umfassen meist nur die wichtigsten Steuerungsfunktionen, Erweiterungen sind jedoch schnell für DIN-Schienen und Steckverbindungen möglich.

Soft-SPSen übernehmen die Steuerung in Softwareform. Sie verfügen über ein eigenes Betriebssystem und oft auch weitere Anwendersoftware. Sie besitzen jedoch keinen eigenen CPU, sondern greifen auf den PC-Prozessor zurück und müssen sich die Prozessorleistung mit dem Betriebssystem des PCs und gegebenenfalls weiteren Anwendungen teilen. Dies kann sich bei starker Auslastung auf die Leistungsfähigkeit der jeweiligen SPS auswirken.

Bei einer Kompakt-SPS sind alle Bauteile auf einer einzelnen Platine in einem Gehäuse gemeinsam untergebracht.

Eine Slot-SPS wird als PCI-Steckkarte direkt eingesetzt und für spezifische Aufgaben wie die Speicherung von Produktionsdaten genutzt. Bei diesen Steuerungen ersetzt der PC die SPS-Hardware. Im Gegensatz zu einer Soft-SPS besitzt eine Slot-SPS jedoch einen Co-Prozessor und ein eigenes Betriebssystem, mit dem sie Steuerungsaufgaben unabhängig vom PC-Prozessor ausführt. Integrierte Anschlüsse ermöglichen den Zugriff auf dezentrale Aktoren und Sensoren.

Bauart	Hard-SPS	Soft-SPS	Kompakt-SPS	Slot-SPS
Merkmale	SPS-Hardwarelösung, sind schnell hochgefahren, gutes Echtzeitverhalten, wichtigste Funktionen mit Erweiterungsmöglichkeit	SPS-Softwarelösung, komfortabler zu bedienen, langsames Hochfahren, instabil bei sehr hohen Lasten	platzsparend, günstig, für Aufgaben mit geringem Umfang geeignet	geringer Platzbedarf, durch eigene Stromversorgung bleiben sie auch bei Ausfall des PCs aktiv, vereinfachte Kommunikation zwischen SPS und PC durch Visualisierungssoftware

Modulare SPSen sind keine Baugruppen im eigentlichen Sinne, sondern können praktisch als übergeordnetes System verstanden werden. Bei modularen Steuerungen ist jedes einzelne Funktionsbauteil in einem eigenen Gehäuse und auf einer separaten Steuerungsplatinen untergebracht. So kann man die SPS individuell über einzelne Steckmodule zusammensetzen und bei Bedarf problemlos erweitern. Zusätzlicher Vorteil ist, dass bei Defekten nur die jeweilige Baugruppe ausgetauscht werden muss und nicht die komplette Steuerung.

Merkmale:

• individuelle Zusammenstellung der benötigten Elemente
• Erweiterung mit der passenden Platine möglich
• für komplexere Regelungs- und Steuerungskreise

Verschiedene Programmiersprachen findet man bei den Steuerungen:

• ST – Strukturierter Text
• FUP – Funktionsbausteinsprache
• KOP – Kontaktplan
• AWL – Anweisungsliste
• SCL – Structured Control Language

Beliebt bei SPS-Einsteigern ist FUP, da sie per Drag & Drop funktioniert und das Verhalten von Ein- und Ausgängen leicht nachvollziehbar ist. Anspruchsvolle Programmierungen lassen sich mit SCL realisieren. ST und AWL sind textbasiert, die anderen drei grafisch.