Grundlagen der Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS)

Der Begriff SPS

Der Begriff SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) ist im deutschen Sprachraum weit verbreitet, während im Englischen der Begriff Programmable Logic Controller (PLC) verwendet wird. Ursprünglich wurden sie als PCs bezeichnet, doch mit der Einführung des IBM-PC setzte sich zur Vermeidung von Verwechslungen die Abkürzung PLC durch. Eine treffende Definition lautet: Ein industrielles System zur automatischen Steuerung, das logische Anweisungen in einem Speicher abarbeitet. Es ist ein in sich geschlossenes System, das für den Betrieb in rauen Industrieumgebungen ausgelegt ist.

Historische Entwicklung

Die SPS wurde erstmals in den 1960er Jahren eingeführt, um die komplexen und wartungsintensiven Steuerungssysteme auf Basis von Relais und Schützen zu ersetzen.

Eine SPS ist ein Gerät zur Prozesssteuerung, deren Logik durch ein Programm festgelegt wird.

Aufbau einer SPS

Die SPS ist eine Industrie-Hardware, die zur Datenerhebung eingesetzt wird. Die Daten werden über einen Bus (z. B. Ethernet) an einen Server übertragen. Während sie früher primär kombinatorische Logik ersetzte, kann die moderne SPS heute auch arithmetische Operationen ausführen und analoge Signale verarbeiten, etwa für PID-Regelungen (Proportional-Integral-Derivative).

Programmierung und Kommunikation

Moderne SPS-Systeme kommunizieren in Netzwerken und sind Bestandteil verteilter Steuerungssysteme. Zu den gängigen Programmiersprachen gehören:

• Kontaktplan (Ladder Diagram): Besonders beliebt bei Elektrikern.
• Anweisungsliste (AWL)
• Ablaufsteuerung (SFC)
• Funktionsbausteinsprache (FBD): Verwendet Logik-Gatter und Funktionsblöcke.

Die Programmierung umfasst verschiedene Operanden, von einfachen booleschen Logiken, Zählern und Timern bis hin zu komplexen mathematischen Funktionen, PID-Algorithmen und Multiprotokoll-Kommunikation.

Hardware-Struktur

Eine SPS besteht aus einer Reihe von Leiterplatten mit elektronischen Komponenten. Die grundlegende Hardware-Struktur umfasst:

• Netzteil
• Central Processing Unit (CPU)
• Eingangs-/Ausgangsmodule (I/O)
• Speichermodul
• Programmiergerät

Bei anspruchsvollen Aufgaben kommen zusätzlich intelligente Module zum Einsatz.

Central Processing Unit (CPU)

Die CPU ist das Gehirn der Steuerung. Sie basiert auf Mikroprozessoren und umfasst die Steuereinheit, den RAM-Speicher, Timer, Zähler und interne Relais. Ihre Aufgabe ist das Einlesen der Eingangssignale, die Abarbeitung des Programms und die Ansteuerung der Ausgänge mit hoher Geschwindigkeit.

Netzteil (Power Supply)

Das Netzteil versorgt die CPU und die anderen Karten mit der notwendigen Spannung:

• +5 V für die Karten
• +5,2 V für das Programmiergerät
• +24 V für Stromschleifen

Eingangs- und Ausgangsmodule (I/O)

Diese Module bilden die Schnittstelle zwischen der CPU und den Feldgeräten (Sensoren und Aktoren). Man unterscheidet zwischen:

• Diskreten Eingangsmodulen
• Diskreten Ausgangsmodulen
• Analogeingangsmodulen
• Analogausgangsmodulen

Speichermodule

Es gibt zwei Arten von Speichern:

• Flüchtige Speicher (RAM)
• Nicht-flüchtige Speicher (EPROM und EEPROM)

Programmiergerät

Dies ist die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Man unterscheidet zwischen Handheld-Geräten, speziellen Programmierterminals und Standard-PCs.