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Speicherprogrammierbare Steuerungen werden verwendet, um Maschinen und Anlagen zu steuern oder zu regeln. Wir geben einen Überblick über die Funktion, die Vor- und Nachteile.

Eine speicherprogrammierbare Steuerung, kurz PLC, ist eine Komponente, die programmiert und verwendet wird, um eine Anlage oder Maschine zu regeln oder zu steuern. SPS werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Härteprüfmaschinen, Spritzgussmaschinen und vollautomatische Produktionsanlagen.

Der Begriff „PLC“ leitet sich vom englischen Begriff „Programmable Logic Controller“, kurz PLC, ab. Die speicherprogrammierbare Steuerung ist nach EN 61131 wie folgt definiert:

„Eine SPS ist ein digital arbeitendes elektronisches System für den Einsatz in Industrieumgebungen mit einem programmierbaren Speicher zur internen Speicherung anwenderorientierter Steueranweisungen zur Realisierung bestimmter Funktionen wie Logiksteuerung, Ablaufsteuerung, Zeit-, Zähl- und Rechenfunktionen über digitale oder analoge Ein- und Ausgangssignale übertragen, um verschiedene Arten von Maschinen und Prozessen zu steuern.“ (EN 61131, Teil 1)

In SPSen lassen sich spezifische Funktionen wie eine Ablaufsteuerung implementieren, um auf diese Weise sowohl die Ein- als auch die Ausgangssignale von Prozessen oder Maschinen zu steuern.

Wann genau die Erfolgsgeschichte speicherprogrammierbarer Steuerungen begann, ist nicht genau bekannt oder umstritten. Einerseits werden die Ursprünge der SPS auf das Ende der 1950er Jahre datiert – denn viele Autoren sehen 1958 mit der Eintragung der Marke „Simatic“, die mittlerweile zum Synonym für SPS geworden ist, als Meilenstein für speicherprogrammierbare Steuerungen. Andere Autoren datieren die Anfänge der SPS-Technik auf das Ende der 1960er Jahre und argumentieren, dass die speicherprogrammierbare Steuerung damals in den Vereinigten Staaten von Amerika entwickelt wurde.

Fakt ist: Damals wurden von der Automobilindustrie Forderungen gestellt, dass ein flexibler Ersatz für konventionelle elektromechanische Steuerungen notwendig war. Dies wiederum war darauf zurückzuführen, dass herkömmliche Steuerungen dem stark steigenden Automatisierungsgrad nicht mehr gewachsen waren.

Als Entwickler der SPS gilt allgemein Richard E. Morley, der 1969 ein Modicon, also ein auf einem Halbleiter basierendes Logiksystem, vorstellte. Wenige Jahre später, 1974, kam die erste SPS von Klaschka und Pilz in Deutschland auf den Markt. 1979 folgten weitere Hersteller in Deutschland. Seitdem haben sich zahlreiche Hersteller auf dem europäischen Markt etabliert. Während einige der rund 300 Unternehmen speicherprogrammierbare Steuerungen für fast alle Zwecke herstellen, haben sich die meisten Hersteller auf ganz spezielle Nischen spezialisiert.

Das Lehrbuch SPS-Programmierung mit ST bietet SPS-Programmierern die Grundlagen der Hochsprache "Strukturierter Text" nach IEC 61 131-3 anhand einfacher Beispiele aus der Praxis mit Codesys. Die beiliegende DVD enthält die notwendige Programmentwicklungssoftware Wago-I/O Pro Demo (Codesys) und Codesys V3 ohne zeitliche Begrenzung.

Handelt es sich um eine einfache SPS, so besitzt sie Ein- und Ausgänge sowie ein Betriebssystem, also Firmware, und eine Schnittstelle. Über diese Schnittstelle kann das jeweilige Anwenderprogramm geladen werden. Damit wird auch festgelegt, wie die Ausgänge in Abhängigkeit von den Eingängen geschaltet werden.

Das Betriebssystem garantiert auch, dass das Anwenderprogramm immer den aktuellen Stand der Geber hat. Letztlich werden die Ausgänge auf Basis des Anwenderprogramms so geschaltet, dass die Anlage bzw. die Maschine bestimmungsgemäß arbeitet.

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Um die speicherprogrammierbare Steuerung mit der Anlage bzw. Maschine zu verbinden, werden sowohl Aktoren, die in der Regel mit den Ausgängen der speicherprogrammierbaren Steuerung verbunden sind, als auch Sensoren verwendet. Auch Statusanzeigen werden verwendet. Grundsätzlich befinden sich die Sensoren an den SPS-Eingängen, über die die speicherprogrammierbare Steuerung Informationen über das Geschehen in der Anlage oder Maschine erhält.

Wie Sensoren funktionieren und wo sie eingesetzt werden

Als Aktoren gelten beispielsweise:

Bezüglich einer SPS ist noch zu beachten, dass diese auf unterschiedliche Weise realisiert werden kann. Dadurch kann es als Einzelgerät, als Software-Emulation, als PC-Steckkarte etc. realisiert werden. Oftmals gibt es auch modulare Lösungen, bei denen die SPS aus mehreren Steckmodulen zusammengestellt wird.

Bei Einzelgeräten haben sie unterschiedliche Vorteile hinsichtlich Miniaturisierung und sind günstiger, wenn sie kleinere Automatisierungsaufgaben übernehmen sollen. Handelt es sich hingegen um Geräte, die modular aufgebaut sind, weisen sie die charakteristischen Vorteile eines Baukastensystems auf. Generell ergibt sich eine problemlose Erweiterbarkeit, enorme Flexibilität und Kostenersparnis durch den Einsatz einer Vielzahl identischer Module; diese können auch in großen Stückzahlen hergestellt werden.

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Da SPS die Durchführung wiederholbarer Prozesse ebenso ermöglichen wie die Informationsbeschaffung, werden sie in vielen unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Auch in der Stahlindustrie, Medizintechnik, Getränkeindustrie und eigentlich in allen automatisch ablaufenden Industriebereichen kommen SPS zum Einsatz. Und nicht nur in Industrieanlagen, sondern auch im Alltag begegnen uns SPS tagtäglich, zum Beispiel in Ampeln, Aufzügen, Kläranlagen oder einer Rolltreppe.

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Inzwischen gibt es auch sogenannte Soft-SPS, für deren Funktion zuverlässige Hardware ebenso unerlässlich ist wie die Installation eines Betriebssystems.

Grundsätzlich muss sich eine speicherprogrammierbare Steuerung in Softwareform die PC-Prozessorleistung mit dem Betriebssystem teilen, ggf. kann diese um installierte Anwendersoftware ergänzt werden.

Der Prozessor des PCs hat also einerseits die Aufgabe, die absolut deterministischen und echtzeitfähigen Programme der SPS abzuarbeiten, andererseits werden durch andere Software zusätzliche Anforderungen an den Prozessor des PCs gestellt. Diese Software stellt in der Regel geringere Anforderungen als die SPS – sowohl an deterministisches Timing als auch an Zuverlässigkeit.

Das Problem ist jedoch, dass der Prozessor des PCs zwischen den beiden Anwendungswelten hin- und herschalten muss, da dies die Performance der Soft-SPS negativ beeinflussen kann.

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Speicherprogrammierbare Steuerungen werden von verschiedenen Herstellern weltweit produziert, wobei Siemens das Unternehmen mit den größten Marktanteilen weltweit ist. Zu den größten SPS-Herstellern weltweit gehören:

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Im Folgenden werden die Vorteile gegenüber einer verbindungsprogrammierten Steuerung (VPS) aufgezeigt.

Soll eine Kontrolle realisiert oder implementiert werden, gelingt dies in der Regel nicht sofort. In der Regel wird diese stattdessen nach und nach perfektioniert. Das gewünschte Ergebnis wird meist erst nach diversen Modifikationen erreicht. Während bei einer anschlussprogrammierten Steuerung die Verdrahtung in regelmäßigen Abständen geändert werden muss, ist dies bei einer speicherprogrammierbaren Steuerung viel einfacher, da nur das Programm geändert werden muss. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der Zeit, die zum Modifizieren der Steuerung erforderlich ist. Auch nachträgliche Programmänderungen sind möglich.

Im Allgemeinen erfolgt die Implementierung und Auswertung der Zähl- und Zeitfunktionen, die Auswertung verschiedener Zustände und Verknüpfungen intern in einer speicherprogrammierbaren Steuerung. Dadurch werden Materialkosten (zB Zeitrelais und Hilfsschütze) eingespart, die bei einer anschlussprogrammierten Steuerung anfallen würden.

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Ein einmal geschriebenes Steuerungsprogramm kann beliebig oft verwendet und kopiert werden. Anders ist dies bei einem VPS, da die Steuerung jeweils separat erstellt werden müsste. Tatsächlich ist eine SPS auch wesentlich kostengünstiger, wenn die Steuerungsaufgaben doppelt ausgeführt werden sollen.

Dokument- und Kommentaroptionen

Wird ein SPS-Programm geschrieben, ist es möglich und auch sinnvoll, wenn zu den jeweiligen Anweisungen auch hilfreiche Kommentare geschrieben werden. Auf diese Weise können bestehende Programme viel einfacher verstanden und bei Bedarf modifiziert werden.

Speicherprogrammierbare Steuerungen benötigen weniger Montageaufwand, weniger Material und weniger Verdrahtung. Aus diesem Grund können beliebige Projekte in einem viel kürzeren Zeitrahmen umgesetzt werden. Auch das Bearbeiten in Gruppen ist möglich, um später Unterkomponenten zu erstellen und zu kombinieren.

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Ein weiterer Vorteil speicherprogrammierbarer Steuerungen ist, dass das jeweilige Programm auch von einem anderen Ort aus problemlos gesteuert werden kann. Gleiches gilt für die Überwachung und Änderung des Programms – alles in allem ist eine SPS eine äußerst praktikable Lösung.

Darüber hinaus haben SPS noch zahlreiche weitere Vorteile: Sie punkten mit geringem Energieverbrauch, unterschiedlichen Vernetzungsmöglichkeiten mit anderen IT-Systemen und ihrer sehr hohen Zuverlässigkeit.

Die Programmiersprache STEP 7-SCL (Structured Control Language) ist eine höhere Programmiersprache. SCL basiert auf der Sprache ST (Structured Text) der Norm IEC 61131-3. Im Fachbuch SPS-Programmierung mit SCL im TIA Portal werden die Grundlagen anhand einfacher Beispiele aus der Praxis erarbeitet.

Grundsätzlich haben speicherprogrammierbare Steuerungen nur geringe Nachteile. Nachteilig ist jedoch, dass eine SPS für nicht sehr komplexe oder kleine Systeme zu teuer ist.

Darüber hinaus besteht Bedarf an zusätzlicher Infrastruktur und Technik, wie Sicherheitssets, Datenträger, Programmiergeräte etc. Darüber hinaus wird gut ausgebildetes und entsprechend qualifiziertes Personal benötigt, um speicherprogrammierbare Steuerungen zu realisieren.

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