SPS – automatisierte Steuerung für die Industrie
Wie Sie Speicherprogrammierbare Steuerung clever integrieren und nachrüsten
Speicherprogrammierbare Steuerungen überwachen und regeln Maschinen und Fertigungsprozessen in industriellen Umgebungen mit Automatisierungstechnik. Zukünftig könnten Sie als autonome Systeme sogar intelligent und selbstständig Prozesse optimieren. In unseren Ratgeber stellen wir Ihnen die verschiedenen Systeme vor und geben Tipps zur Auswahl und dem passenden Zubehör.
Welche Rolle spielt Speicherprogrammierbare Steuerung in der Automation?
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.
Vorteile von SPS gegenüber VPS
- 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.
Wie ist eine speicherprogrammierbare Steuerung aufgebaut?
Die Grundversion einer SPS besteht aus einem Prozessor in der Zentralbaugruppe, Signaleingängen und -ausgängen, einem Betriebssystem und der Schnittstelle.
Die Programmierung der Steuerung erfolgt über das Anwendungsprogramm am Computer oder über ein angeschlossenes Bedienpanel. Sie wird über die Schnittstelle auf die SPS geladen und legt die Schaltung von Ein- und Ausgängen fest. Der eigentliche Betrieb erfolgt dann unabhängig vom Computer und dank eigener SPS-Stromversorgung auch autonom.
Je nach Komplexität verfügen SPS über eine unterschiedliche Anzahl von analogen oder digitalen Ein- und Ausgängen, die über sogenannte Sensoren und Aktoren mit der Maschine oder Anlage verknüpft sind. An den Eingängen überwachen zum Beispiel Sensoren wie Drucksensoren, Temperatur- oder Füllstandsfühler die Maschinenfunktionen. Das Betriebssystem wertet die gesammelten Informationen aus, gleicht sie mit den vom Anwender programmierten Parametern ab und sendet die entsprechenden Steuerungssignale an die Ausgänge.
Hier sind die Aktoren angeschlossen, die Funktionen regeln. Das können Schütze zum Einschalten elektrischer Motoren, elektrische Ventile für Druckluft und Hydraulik oder Antriebssteuerungsmodule sein.
Funktionen von speicherprogrammierbaren Steuerungen
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.
Kompatibilität und Zubehör zur Vernetzung
Einer der größten Vorteile von SPS ist die systemübergreifende Vernetzung mit anderen Geräten und Rechnern. Dabei ist nicht nur bei der Neuinstallation die korrekte Vernetzung wichtig. Auch SPSen nach älteren Standards lassen sich beim Retrofitting über die passenden SPS-Kabel, -Stecker und -Adapter mit modernen Geräten verbinden.
Die meisten SPSen können über ein serielles Kabel mit einem PC verbunden werden. Dafür eignen sich serielle Geräteserver, mit denen sich herkömmliche serielle Komponenten über LAN anschließen lassen. Ethernet-Medienkonverter verbinden unterschiedliche Übertragungsmedien kompatibel miteinander. Übliche Schnittstellen sind RS-232 und RS-485 mit DB-9-und DB-25-Steckern.
SPS-Schnittstellen sind jedoch nicht standardisiert, sodass je nach Geräteanbieter neben gängigen seriellen Kabeln auch andere Lösungen zum Einsatz kommen, über die man sich im Vorfeld informieren oder einen Spezialisten einbinden sollte. Generell bestimmt die Bauart somit die Anforderungen an das Zubehör für die jeweilige SPS.
Das passende Equipment für Ihre SPS
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 multifunkionelle Visualisierung, Bedienung und Diagnose von Maschinen und Anlagen.
- Smart-Gateway: Maschinen und Anlagen intelligent im IoT miteinander vernetzen.
Bauformen von SPS
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 |
| Merkmele | • 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 SPS: Eine einfache und individuelle Lösung für jede Maschinenanlage
Modulare SPSen sind keine Baugruppen im eigentlichen Sinne, sondern können praktisch als übgeordnetes 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
Einige typische Hersteller und Modellserien von modularen SPS
Programiersprachen für SPS
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.
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