Was ist eine SPS? – Aufbau und Funktionsweise

Die Abkürzung SPS steht für Speicherprogrammierbare Steuerung – im englischen Sprachraum PLC (Programmable Logic Controller). Der Name verrät schon das Wesentliche: Die Steuerlogik steckt nicht mehr in der Verdrahtung, sondern in einem Programm, das in einem Speicher abgelegt ist.

Um zu verstehen, warum das ein so großer Schritt war, lohnt ein Blick auf die Steuerung davor. Bei einer verbindungsprogrammierten Steuerung (der klassischen Schützsteuerung) ist die Logik durch die Art der Verdrahtung festgelegt. Soll eine Maschine anders arbeiten – etwa ein zusätzlicher Taster eine neue Funktion auslösen – muss man Leitungen umklemmen, Schütze tauschen, den Schaltplan ändern. Bei der SPS bleibt die Hardware gleich. Man ändert nur das Programm. Genau dieser Unterschied – frei programmierbar statt fest verdrahtet – ist der Kern der ganzen Technologie.

Wann sich der Einsatz einer SPS gegenüber einer klassischen Schützsteuerung wirklich lohnt, ist ein Thema für sich und wird an anderer Stelle ausführlich behandelt. Hier reicht der Grundgedanke: Sobald eine Steuerung viele Verknüpfungen, Zeitfunktionen oder Änderungswünsche mit sich bringt, spielt die SPS ihre Stärken aus.

Eingesetzt wird die SPS heute praktisch überall in der Automatisierung: in Förder- und Verpackungsanlagen, an Werkzeugmaschinen, in der Gebäudetechnik, bei Aufzügen, in der Wasser- und Abwassertechnik. Wo Signale eingelesen, verarbeitet und Aktoren geschaltet werden müssen, ist die SPS das Standardwerkzeug.

Eine SPS ist kein einzelner Chip, sondern ein System aus mehreren zusammenwirkenden Baugruppen – das sind die funktionalen Einzelmodule der Steuerung. Bei einer modular aufgebauten SPS werden diese Module nebeneinander auf eine Trageschiene (Hutschiene) im Schaltschrank gesteckt und über einen gemeinsamen Rückwandbus verbunden. Der Rückwandbus ist die interne Datenleitung, über die die Module Strom und Signale austauschen.

Die wichtigsten Baugruppen sind:

• Stromversorgung (Netzteil): wandelt die Netzspannung in die intern benötigte Gleichspannung um, typischerweise 24 V DC.
• CPU (Zentralbaugruppe): das „Gehirn“ der SPS. Sie enthält den Prozessor, das Betriebssystem und den Speicher und arbeitet das Anwenderprogramm ab.- Eingabebaugruppen: nehmen die Signale von Sensoren und Schaltern auf – digital (DE = Digitale Eingabe) oder analog (AE = Analoge Eingabe).
• Ausgabebaugruppen: geben Schaltbefehle an Aktoren wie Schütze, Ventile oder Lampen aus – digital (DA = Digitale Ausgabe) oder analog (AA = Analoge Ausgabe).
• Kommunikationsschnittstellen: verbinden die SPS mit dem Programmiergerät, mit Bediengeräten und mit anderen Steuerungen über ein Bussystem.

Bei die Bauform unterscheidet man zwei Grundtypen. Eine Kompakt-SPS vereint Netzteil, CPU und eine feste Anzahl Ein- und Ausgänge in einem einzigen Gehäuse – kompakt, günstig, aber in der Anzahl der Anschlüsse begrenzt. Eine modulare SPS besteht aus einzeln steckbaren Baugruppen, die man je nach Bedarf zusammenstellt und später erweitert. Für kleine, klar umrissene Aufgaben genügt oft die Kompaktvariante; für größere oder wachsende Anlagen ist die modulare Bauweise die erste Wahl.

Nachdem der grobe Aufbau klar ist, lohnt ein genauerer Blick auf die drei Baugruppen, die das Verhalten der SPS bestimmen: CPU, Speicher und die Ein-/Ausgabebaugruppen.

Die CPU ist die Zentralbaugruppe. In ihr arbeitet der Prozessor das Anwenderprogramm ab, gesteuert von einem fest eingebauten Betriebssystem, das sich um die internen Abläufe kümmert. Die Leistungsfähigkeit der CPU – Verarbeitungsgeschwindigkeit und Speichergröße – entscheidet darüber, wie umfangreich und wie schnell ein Programm laufen kann.

Der Speicher gliedert sich nach Aufgabe. Der Programmspeicher enthält das Anwenderprogramm, also die eigentliche Steuerlogik. Der Datenspeicher hält die Werte, mit denen das Programm arbeitet: eingelesene Signale, Zwischenergebnisse, Zählerstände. Wichtig ist die Unterscheidung zwischen remanent und flüchtig. Remanente Daten bleiben auch nach dem Ausschalten erhalten – das ist nötig, wenn etwa ein Zählerstand einen Stromausfall überdauern soll. Flüchtige Daten gehen beim Abschalten verloren.

Die Ein- und Ausgabebaugruppen bilden die Schnittstelle zur Anlage. Eingabebaugruppen wandeln die Signale aus dem Feld – von Sensoren, Tastern, Schaltern – in eine Form, die die CPU verarbeiten kann. Ausgabebaugruppen schalten umgekehrt die Aktoren. Man unterscheidet digitale Baugruppen, die nur zwei Zustände kennen (Signal vorhanden oder nicht), und analoge Baugruppen, die fortlaufende Werte wie eine Temperatur oder einen Druck verarbeiten. Wie analoge Signale intern in Zahlenwerte umgesetzt und weiterverarbeitet werden, ist ein eigenes, umfangreicheres Thema und wird an anderer Stelle behandelt.

In der europäischen und österreichischen Praxis arbeiten die digitalen Eingänge typischerweise mit 24 V DC. Die Anforderungen an SPS-Betriebsmittel – darunter auch, ab welchem Spannungsbereich ein Eingangssignal sicher als „logisch 1″ erkannt werden muss und welcher Bereich als „logisch 0″ gilt – sind in der ÖNORM EN 61131-2 festgelegt. Diese Norm definiert die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Geräte und sorgt dafür, dass Komponenten verschiedener Hersteller zusammenpassen. Für die tägliche Arbeit genügt das Bewusstsein: Es gibt einen definierten oberen Bereich, der sicher als Eins gilt, einen unteren, der als Null gilt, und einen undefinierten Übergangsbereich dazwischen, den man im Betrieb meidet.

Bei den Ausgangsbaugruppen gibt es einen praktisch wichtigen Unterschied. Relaisausgänge schalten über einen mechanischen kontakt – sie sind belastbar, für verschiedene Spannungsarten geeignet, aber langsamer und mechanisch verschleißbehaftet. Transistorausgänge schalten elektronisch – sie sind schnell und verschleißfrei, aber auf Gleichspannung und einen begrenzten Strom festgelegt. Welcher Typ passt, hängt vom angeschlossenen Aktor und von der geforderten Schaltgeschwindigkeit ab.

Wie die einzelnen Eingänge, Ausgänge und Merker im Programm angesprochen werden, also ihre Adressierung, behandelt ein eigener Beitrag.

Eine SPS tut im Betrieb immer dasselbe: Sie arbeitet ihr Programm von oben nach unten ab, und wenn sie am Ende angekommen ist, beginnt sie wieder von vorne. Dieses ständige Wiederholen nennt man zyklischen Betrieb. Ein einmaliger Durchlauf von Anfang bis Ende ist ein Zyklus, die Zeit dafür die Zykluszeit.

Genau dieses gleichförmige Wiederholen macht die SPS so verlässlich. Anders als ein gewöhnlicher PC, der je nach Auslastung mal schneller und mal langsamer reagiert, arbeitet die SPS deterministisch: Der Ablauf ist vorhersehbar, jeder Zyklus läuft nach demselben Schema. Wie dieser Durchlauf intern in feste Phasen gegliedert ist, behandelt ein eigener Beitrag im Detail; hier zählt das Bild des unermüdlich wiederholten Programmlaufs.

Im laufenden Betrieb gibt es zwei grundlegende Betriebszustände. Im Zustand RUN arbeitet die SPS ihr Programm aktiv ab und steuert die Anlage. Im Zustand STOP ist die Programmbearbeitung angehalten – die Ausgänge werden nicht mehr gesteuert. In STOP wird üblicherweise ein neues Programm geladen oder ein Fehler bearbeitet. Beim Einschalten durchläuft die SPS zunächst eine interne Startphase, in der sie sich selbst prüft, bevor sie in RUN geht.

Die Zykluszeit ist mehr als eine technische Randgröße. Da Eingänge nur einmal pro Zyklus eingelesen werden, kann ein sehr kurzes Ereignis am Eingang im schlechtesten Fall fast einen ganzen Zyklus warten, bis es das Programm „sieht“. Die Reaktion der Anlage hängt also direkt von der Zykluszeit ab. Mit dem folgenden Rechner lässt sich das abschätzen.

Die maximale Reaktionszeit ist näherungsweise mit zwei Zyklen angesetzt: einer, bis das Eingangssignal eingelesen wird, und ein weiterer, bis der zugehörige Ausgang gesetzt ist. Sie zeigt, warum bei schnellen Vorgängen eine kurze Zykluszeit wichtig ist.

Bleibt die Frage, wie die SPS von der Hardware im Schaltschrank zur arbeitenden Steuerung wird. Das Programm wird nicht an der SPS selbst geschrieben, sondern an einem PC mit einer Engineering-Software – der Programmierumgebung des jeweiligen Herstellers. Dort entsteht das Programm, wird geprüft und anschließend über eine Kommunikationsschnittstelle in die CPU geladen („Download“). Danach läuft es eigenständig in der SPS, der PC wird zum Programmieren oder zur Diagnose nur bei Bedarf angeschlossen.

Der Anschluss an die Anlage folgt einem einfachen Grundmuster: Sensoren, Taster und Schalter werden auf die Eingangsklemmen verdrahtet, Aktoren wie Schütze, Magnetventile oder Meldeleuchten auf die Ausgangsklemmen. Was zwischen Eingang und Ausgang passiert – welche Bedingung welchen Ausgang schaltet – steckt allein im Programm.

In welcher Programmiersprache dieses Programm geschrieben wird, ist standardisiert. Die einschlägige Normenreihe IEC 61131-3 (in Österreich als ÖNORM EN übernommen) beschreibt mehrere Sprachen, vom grafischen Kontaktplan bis zum textuellen Code. Welche davon wann sinnvoll ist, behandelt ein eigener Beitrag – hier genügt der Hinweis, dass man nicht an eine einzige Sprache gebunden ist.