Wissenswertes zu speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS)

Was ist eine SPS?

Die Abkürzung SPS steht für „speicherprogrammierbare Steuerung“. Im englischen Sprachraum ist diese Art der Steuerung unter dem Begriff „Programmable Logic Controller“ (PLC) bekannt. Speicherprogrammierbare Steuerungen werden in der Automatisierungstechnik zur Steuerung beziehungsweise Regelung von Maschinen eingesetzt. Der Clou dabei ist, dass man die SPS individuell auf digitaler Basis programmieren kann. Angesichts der zunehmenden Komplexität moderner Maschinen und Fertigungsanlagen ist SPS-Programmierung heute nicht mehr aus dem industriellen Alltag wegzudenken.

Eine typische SPS besteht aus folgenden Elementen:

  • An die Eingänge sind Sensoren (Taster, Lichtschranken, Temperaturfühler, ...) gekoppelt. So weiß die SPS in jedem Moment, wie es um die zu steuernde Maschine steht.
  • Die Ausgänge sind mit Aktoren (Schalter für Motoren, hydraulische Ventile, ...) verbunden, mit deren Hilfe die SPS die betreffende Maschine steuert.
  • Das Anwenderprogramm (SPS-Software) legt fest, wie die Ausgänge in Abhängigkeit von den Eingängen geschaltet werden sollen, damit die Maschine wie gewünscht arbeitet.
  • Das Betriebssystem (Firmware) sorgt dafür, dass der Datenfluss durch die SPS ordnungsgemäß funktioniert.
  • Über Schnittstellen lässt sich zum Beispiel das Anwenderprogramm anrufen oder die SPS an andere IT-Systeme koppeln.
  • Eine Stromversorgung, ein Steuerungsprozessor und ein internes Bussystem runden das SPS-Paket ab.

Unser Praxistipp: SPS versus VPS

Die Abkürzung VPS steht für „verbindungsprogrammierte Steuerung“. Solche Steuerungen können im Prinzip ähnliche Funktionen übernehmen wie eine SPS. Im Gegensatz zur SPS, bei der die Steuerung über eine Software definiert wird, besteht die Steuerschaltung beim VPS aus Relaisschaltern. Die Steuerung ist also fest verdrahtet und kann nicht individuell an die Gegebenheiten angepasst werden. Aus diesem Grund ist eine VPS im Vergleich zur SPS ziemlich unflexibel. Dafür ist sie im Normalfall billiger und muss nicht extra programmiert werden.

Die Vorteile der SPS gegenüber einer VPS sind:

  • Änderungen lassen sich einfach vornehmen, ohne die Hardware anzutasten.
  • Die SPS kann mit anderen IT-Komponenten verbunden werden (Stichwort „vernetzte Fabrik“).
  • Einmal geschrieben, kann das Steuerungsprogramm der SPS beliebig oft kopiert und in anderen Schaltungen eingesetzt werden.
  • Im digitalen Zeitalter lässt sich die Steuerungssoftware der SPS bequem von beliebigen Orten überwachen und verändern (Stichwort „Remote Control“).

Neben den vergleichsweise hohen Kosten ist als einziger Nachteil einer SPS zu nennen, dass Sie (gute) Programmierkenntnisse brauchen, um eine Steuerung zu implementieren.

Speicherprogrammierbare Steuerungen werden meist mit speziellen (oft grafischen) Programmiersprachen programmiert. Die Sprachen umfassen alle notwendigen Basisbefehle, um die SPS zweckgerecht mit ihrem Auftrag vertraut zu machen. Mittlerweile hat sich ein genormter Standard etabliert (DIN EN 61131-3), an den sich die meisten Hersteller halten. Im Lieferumfang einer SPS ist üblicherweise auch eine Software zur Kommunikation des Programmiergerätes (zum Beispiel ein PC) mit der Steuerung enthalten. In der folgenden Abbildung sehen Sie exemplarisch die SPS-Software „LOGO Soft Comfort“ von Siemens. Bei dieser Software erfolgen Projektierung, Programmerstellung, Simulation und Dokumentation ganz einfach per Drag & Drop.

Unser Praxistipp: Dokumentationsmöglichkeit

Denken Sie daran, eine ausführliche und leicht verständliche Dokumentation der SPS im Softwarecode zu hinterlassen. So können spätere Nutzer den Sinn und Zweck der SPS nachvollziehen und finden leichter heraus, wie mögliche Änderungen zu implementieren sind.

Welche SPS-Typen gibt es?

Eine konventionelle SPS wird zwar meist mit Hilfe eines Computers programmiert. Im Betrieb läuft sie aber ohne diesen Computer. Im Gegensatz dazu sind bei der Soft-SPS alle Komponenten auf einem Computer vereinigt.

Kompakt-SPS

Bei den konventionellen SPS lassen sich Kompakt-SPS und modulare Lösungen unterscheiden. Für Automatisierungsaufgaben von geringem Umfang sind Kompakt-SPS meist günstiger und platzsparender. Ihre Programmierung kann auch ohne PC direkt über am Gerät befindliche Bedientasten und einem integrierten Display erfolgen.

Slot-SPS

Manche Soft-SPS werden über eine PC-Steckkarte realisiert (Slot-SPS), andere sind reine Softwareemulationen.

Modulare SPS

Bei modularen SPS-Lösungen können Sie die Steuerung aus einzelnen Steckmodulen zusammensetzen. Der modulare Aufbau entfaltet sein volles Potential, wenn Sie größere, komplexe Anlagen steuern möchten. Dann können Sie die SPS ganz flexibel auf alle Eventualitäten anpassen. Dabei können die verschiedenen Module völlig unterschiedliche Aufgaben erfüllen, beispielsweise analoge Eingangssignale verarbeiten, komplexe Regelungsschritte durchführen oder klimatische Außenbedingungen prüfen.

Eine alternative Klassifizierung lässt sich über die Arbeitsweise der SPS vornehmen:

  • Bei der zyklusorientierten SPS prüft die Steuerung die Eingänge in einem vom Hersteller fest vorgegeben Zyklus (typischerweise zwischen einer und zehn Millisekunden). Anschließend entscheidet das Anwenderprogramm über notwendige Schritte und initiiert diese. Dann beginnt der Zyklus von vorne.
  • Bei der zyklischen SPS mit Unterbrechungsverarbeitung gibt es spezielle Eingangskarten, die bei einem Statuswechsel des angeschlossenen Sensors Alarm schlagen. Im Fall eines Alarms wird das laufende Programm unterbrochen. So lassen sich Notfälle und zeitkritische Aufgaben besser bewältigen.
  • Bei der ereignisgesteuerten SPS führt das Betriebssystem Buch über alle Statuswechsel aller Sensoren und startet im Falle eines Wechsels die entsprechenden Programmteile. Diese Art der Verarbeitung wird nur durch sehr hochwertige Steuerungen unterstützt.

Kaufkriterien für SPS-Systeme – Worauf muss man achten?

Die Zahl der (analogen und digitalen) Ein- und Ausgänge ist ein wichtiges Kriterium. Dabei deckt das Spektrum der angebotenen Geräte nahezu alle Bedürfnisse ab. Kalkulieren Sie bei der Anzahl der von Ihnen benötigen Ein- und Ausgänge nicht zu knapp! Es zeigt sich immer wieder, dass zusätzliche Parameter kontrolliert werden müssen, die in der ursprünglichen Planung keine Berücksichtigung fanden.

Brauchen Sie ein Display an Ihrer SPS? Manchmal lässt sich beim SPS-Kauf etwas Geld sparen, wenn Sie die SPS über eine bestehende IT-Infrastruktur auslesen und verwalten.

Als weiteres Kaufkriterium könnte interessant sein, inwiefern sich eine bereits bewährte Anwendersoftware wiederverwenden lässt. Im besten Fall können Sie eine bestehende (und getestete) SPS-Software ohne großen Aufwand für Ihre neue SPS übernehmen. Neue Konzepte erfordern hingegen zusätzliche Trainingsmaßnahmen.

Unser Praxistipp: Verwundbarkeit von SPS-Systemen

Aufgrund ihrer Programmierbarkeit und ihrer Vernetzbarkeit in bestehende IT-Systeme sind SPS im Vergleich zu VPS verwundbarer gegenüber äußeren Manipulationen, zum Beispiel durch Viren oder versehentliche Änderungen. Auch ist eine per Software implementierte Logik wesentlich störanfälliger als eine in der Schaltung direkt niedergelegte Logik. Wenn Sie Anlagen mit Explosionsgefahr oder ähnlichen Gefahrenherden betreuen, sollten Sie gut abwägen, welche Risiken der Einsatz einer SPS mit sich bringt.

Zahlreiche Hersteller bieten Handheld-Testtools für Ihre SPS-Steuerungen an. Mit ihrer Hilfe lassen sich Installationsfehler, Kurzschlüsse oder Leitungsbrüche leicht auffinden. Die meisten Tools erstellen und archivieren automatisch detaillierte Messprotokolle. Ihre Kollegen im Qualitätsmanagement werden es Ihnen danken!

Interessante SPS-Anwendungsbereiche

Speicherprogrammierbare Steuerungen werden zur Automatisierung, Überwachung und Regelung technischer Prozesse eingesetzt. Ob und wann eine SPS sinnvoll für diese Zwecke einsetzbar ist, hängt hauptsächlich von der Wirtschaftlichkeit ab. Wenn Sie beispielsweise die Klingelanlage Ihres Hauses per Lichtschranke steuern möchten, wäre eine SPS definitiv überdimensioniert. In der folgenden Tabelle finden Sie einige Beispiele, bei denen sich der Einsatz einer SPS bestens bewährt.

Wenn Sie elektrische Geräte in Ihrem Eigenheim über das Smartphone steuern, steckt dahinter eine SPS. Ihr Smartphone gibt die gewünschten Befehle an die SPS weiter, und diese aktiviert beziehungsweise deaktiviert dann die entsprechenden Geräte.

Die automatisierte Fahrzeugherstellung mit ihren komplexen Konstruktionsrobotern und endlosen Fließbändern ist ein Paradies für SPS-Freunde!

Bei komplexen Ampelanlagen sind SPS von unschätzbarem Wert. Sie sorgen dafür, dass alle beteiligten Signale synchron geschaltet sind. Im Fall einer technischen Störung schlägt die SPS sofort Alarm und verhindert so eine mögliche Gefährdung der Verkehrsteilnehmer.

Die am häufigsten gestellten Fragen zum Thema SPS

Was ist eine HMI?

HMI steht kurz für „Human Machine Interface“, das heißt die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. In der Automatisierung wird HMI häufig eingesetzt, um Maschinen zu bedienen beziehungsweise zu kontrollieren. Dabei setzt die HMI auf einer SPS auf. Dank ihrer intuitiven Benutzeroberfläche müssen sich Fertigungsmitarbeiter aber nicht mit komplizierter SPS-Programmierung auseinandersetzen, sondern können sich voll auf ihre Bedien- und Beobachtungsaufgaben konzentrieren.

Wie schließt man bei einer Soft-SPS Sensoren beziehungsweise Aktoren an?

Eine Soft-SPS ist ein Softwarepaket, das auf einem PC läuft. Eine Soft-SPS hat also keinen eigenen Prozessor und kein eigenes Bussystem. Die Sensoren und Aktoren werden entweder über die gängigen PC-Bussysteme oder mit speziellen Ein- und Ausgangskarten an den PC angeschlossen. Aus diesem Grund sind sie meist etwas langsamer als herkömmliche SPS.

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