Hello SPS! Teil 1: Grundlagen speicherprogrammierbarer Steuerungen

Inhaltsverzeichnis

Die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder auch Programmable Logic Control (PLC) hat sich in der Welt der Automatisierungssysteme zu einem unverzichtbaren Bestandteil entwickelt. Diese dreiteilige Artikelserie widmet sich ausführlich diesem Thema.

• Teil 1 der Serie führt zunächst in die Grundlagen von SPS ein.
• Der zweite Teil erklärt, wie sich die Open-Source-SPS OpenPLC praktisch einsetzen lässt.
• Teil 3 zeigt das Umfeld, in dem SPS mit anderen Automatisierungskomponenten zusammenarbeitet.

Was ist überhaupt eine SPS beziehungsweise PLC?

Bevor es losgeht, bleibt die Frage zu klären, was sich hinter den Begriffen SPS und PLC verbirgt. Eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) oder auf Englisch PLC (Programmable Logic Control) ist eine wichtige Komponente in Automatisierungssystemen.

Der Pragmatische Architekt – Michael Stal

Prof. Dr. Michael Stal arbeitet seit 1991 bei Siemens Technology. Seine Forschungsschwerpunkte umfassen Softwarearchitekturen für große komplexe Systeme (Verteilte Systeme, Cloud Computing, IIoT), Eingebettte Systeme, und Künstliche Intelligenz. Er berät Geschäftsbereiche in Softwarearchitekturfragen und ist für die Architekturausbildung der Senior-Software-Architekten bei Siemens verantwortlich.

Diese Steuerungen enthalten Code zum Einlesen von Daten (z.B. Zustand eines Schalters, Sensoren), vorprogrammierte Verarbeitungselemente (z.B. Bibliotheksbausteine wie Flip-Flops und Timer), benutzerdefinierten Code für die Verarbeitung, und Code zum Schreiben von Daten (z.B. für Motorsteuerung, Öffnen/Schließen eines Ventils). Die Eingabe umfasst also die Sensorik, während die Ausgabe für die Aktorik zuständig ist. Beides kann entweder analog oder digital erfolgen. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass jede zyklusgesteuerte SPS in einer Anlage getaktet arbeitet. Das bedeutet, sie muss ihre Verarbeitung innerhalb eines vordefinierten Zeitfensters abschließen, zum Beispiel in 20 ms.

Ein einfaches Beispiel für ein SPS-Programm könnte sein:

• Status von zwei angeschlossenen Schaltern (offen, geschlossen) überprüfen
• Ist einer der beiden Schalter geschlossen (d.h. am jeweiligen Ausgang liegt Strom an), den Funktionsblock Lichtstärke aktivieren
• Liegt die Lichtstärke unter einem vordefinierten Schwellenwert, Strom durch Ausgang des Funktionsblocks leiten
• und dadurch über die Ausgabeschnittstelle die LED aktivieren

Das Beispiel in der nachfolgenden Abbildung ist in der SPS-Programmiersprache LD (Ladder Diagram) geschrieben:

Die linke Ladder in diesem Ladder Diagram lässt sich als Plus-Pol (Anode) einer Schaltung interpretieren, die rechte als Minus-Pol (Kathode). Der Strom fließt also von links nach rechts.

Nach Ablauf des Programmes fängt die SPS erneut bei der ersten Instruktion des durchgeführten Programmes an. Überschreitet das Programm einer solchen SPS die Zykluszeit, stoppt die CPU. Ein Beispiel für eine ereignisgesteuerte und damit nicht zyklusgesteuerte SPS folgt im nächsten Abschnitt.

Für diesen Zyklus findet sich oft der Begriff PLC Scan Time, der die Zeit definiert, die eine PLC benötigt, die Eingänge zu lesen, die vom Nutzer vorgegebene Logik umzusetzen, und dann auf die Ausgänge zu schreiben. In der Realität gibt es noch einen vierten Schritt, in dem die PLC ihren eigenen Zustand (Health) prüft.

Braucht eine Verarbeitung weniger als die parametrisierte Zykluszeit, verbleibt die PLC bis zum Ende des Zeitintervalls in einem Idle-Zustand. Sie hält sich also stets an den festgelegten Takt. Das ist auch deshalb wichtig, weil sich mehrere kooperierende PLCs über denselben Takt synchronisieren können. Eine PLC darf also nie aus der Reihe tanzen.

Doch warum sind SPSen eigentlich so cool? Im Jahre 1969 erschien die Modicon 084 (heute Schneider Electric) als allererste PLC – Modicon steht übrigens für Modular Digital Controller. Bevor es diese erste SPS gab, mussten Steuerungen und Regelungen über Verbindungsprogrammierung erfolgen, was unter anderem Relais und Logikbausteine erforderte. Das führt zu hohem Aufwand und wenig Flexibilität. Allein die Umstellung einer Fahrzeugfertigung von einem Modell auf ein anderes wäre mit erhöhtem Aufwand verbunden.

Dahingegen ist eine SPS flexibel einsetzbar und lässt sich wesentlich leichter für einen gewünschten Zweck konfigurieren, programmieren und anpassen. Über Bussysteme wie Profinet oder Modbus ist es zudem möglich, SPSen in übergreifende Lösungen zu integrieren oder miteinander zu verbinden. Kein Wunder, dass schon bald Unternehmen wie Siemens und Allen-Bradley (heute Rockwell) dem Vorbild der Modicon folgten.

Eine moderne SPS muss nicht unbedingt als einzelne Box – sprich als Monolith – vorliegen, sondern kann modular aufgebaut sein. Eine modulare SPS besteht im Gegensatz zu einer nicht-modularen aus unterschiedlichen Baugruppen, die kombiniert eine SPS ergeben. Das kann unter anderem eine CPU-Baugruppe sein, eine Schnittstellenbaugruppe, eine Stromversorgungs-Baugruppe, eine Eingabebaugruppe oder eine Ausgabebaugruppe. Benötigt der Anwender mehr Schnittstellen oder Funktionalitäten, fügt er weitere Komponenten hinzu. Dazu gehören auch komplexere Regelungsbaugruppen, Sensorbaugruppen, und viele weitere Module.

Der Vorteil einer modularen SPS besteht demzufolge darin, dass sie sich genau für den gewünschten Einsatzzweck ausrüsten lässt. In einer Simatic-PLC von Siemens ist dies beispielsweise möglich. PLCs wie die aus Siemens S7-Serie (Simatic) liegen überwiegend als PLCs aus modularen Hardwarekomponenten vor, etwa als Komponenten für industrielle Schaltschränke bzw. Steckschränke.

Als Stromquelle nutzt eine SPS typischerweise einen Wandler, der 220V (oder in den USA 110V) Wechselspannung in 5V Gleichspannung (für CPU, RAM, ROM) und 24V Gleichspannung (für digitale Eingabe & Ausgabe) sowie 10V für analoge I/O umwandelt.