Gerne sind wir der Partner an Ihrer Seite
Haben Sie weitere Fragen für die Anwendung von eingebetteten Systemen (embedded systems) in Ihrer Branche? Dann wenden Sie sich jetzt an die Experten von EPH Elektronik!
Darüber hinaus bieten sie eine hohe Flexibilität und Zuverlässigkeit, die traditionellen steuerungstechnischen Verfahren oft überlegen sind. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Funktionsweise, die Typen und die Anwendungsgebiete von SPS und erläutert die Vorteile und Herausforderungen dieser Technologie.
Doch was ist eine SPS im Detail und welche Vorteile bietet die SPS für die Regelung von Maschinen und Prozessen? EPH Elektronik gibt in diesem Beitrag einen Einblick in die Thematik der SPS.
Die Speicherprogrammierbare Steuerung wird im Englischen als Programmable Logic Controller (PLC) bezeichnet. Diese Systeme sind darauf ausgelegt, in industriellen Umgebungen spezifische Steuerungs- und Regelungsaufgaben zu übernehmen.
Die Ursprünge der Technologie reichen bis in die 1950er Jahre zurück, als erste Ansätze zur Automatisierung industrieller Prozesse entwickelt wurden. Ein bedeutender Meilenstein war die Entwicklung eines auf Halbleitern basierenden Logiksystems im Jahr 1969 durch Richard E. Morley in den USA. Diese Entwicklung wurde maßgeblich durch Forderungen der Automobilindustrie nach flexibleren und effizienteren Steuerungssystemen vorangetrieben.
Im Gegensatz zur Verbindungsprogrammierten Steuerung (VPS), die durch festverdrahtete elektromechanische Module wie Relais und Schalter realisiert wird, bietet die SPS eine softwarebasierte Lösung.
Dies macht eine SPS wesentlich flexibler und ist leichter an sich ändernde Anforderungen anpassbar. Während VPS-Systeme nach wie vor in bestimmten Nischenanwendungen eingesetzt werden, sind SPS-Systeme weit verbreitet.
Die zentrale Steuereinheit ist das Herzstück jeder Speicherprogrammierbaren Steuerung. Sie verarbeitet die Eingabedaten, führt das Anwenderprogramm aus und steuert die Ausgabegeräte. Die CPU arbeitet dabei nach einem festgelegten Zyklus, in dem sie kontinuierlich Eingaben liest, diese verarbeitet und darauf basierend Ausgaben steuert.
Eingänge und Ausgänge (I/O) sind die Schnittstellen, über die die Speicherprogrammierbare Steuerung mit der Außenwelt interagiert. An den Eingängen befinden sich angeschlossene Sensoren, die Informationen über den aktuellen Status der Maschine oder Anlage liefern. Die Steuerung legt fest, wie die Ausgänge in Abhängigkeit von den Eingängen geschaltet werden.
Typische Beispiele für Sensoren sind Temperatursensoren, Lichtschranken und Füllstandmessgeräte. Die Ausgänge steuern Aktoren wie Ventile, Motoren und Schalter, die die tatsächlichen Steuerungsaktionen ausführen.
Hier ein kleiner Überblick, aus welchen Komponenten die Steuerung besteht:
Das Betriebssystem oder die Firmware der Speicherprogrammierbaren Steuerung ist für die Ausführung des Anwenderprogramms verantwortlich. Wird ein SPS-Programm geschrieben, stellt dieses grundlegende Funktionen zur Verfügung, wie die Verwaltung der Ein- und Ausgaben sowie die Kommunikation mit externen Geräten. Schnittstellen ermöglichen die Integration der Speicherprogrammierbaren Steuerung in größere Netzwerke und die Kommunikation mit anderen Systemen.
Die Funktionsweise einer Speicherprogrammierbaren Steuerung kann entweder zyklusorientiert oder ereignisgesteuert sein. Beim zyklusorientierten Ansatz wiederholt die SPS in kurzen, regelmäßigen Abständen einen festgelegten Zyklus aus Eingabelesen, Verarbeiten und Ausgabe.
Ein vollständiger Programmzyklus dauert in der Regel nur wenige Millisekunden. Beim ereignisgesteuerten Ansatz werden bestimmte Programmteile nur ausgeführt, wenn ein spezifisches Ereignis eintritt, was in einigen Anwendungen effizienter sein kann.
Merke:
Zyklusorientierte Speicherprogrammierbare Steuerungen arbeiten in festen Abständen, ereignisgesteuerte Steuerungen reagieren auf spezifische Ereignisse.
Modulare SPS-Systeme bestehen aus vielen einzelnen Komponenten, die flexibel erweitert und angepasst werden können. Sie bieten eine hohe Anpassungsfähigkeit und sind ideal für komplexe Anwendungen, bei denen unterschiedliche Funktionen und Erweiterungen benötigt werden.
Kompakte SPS-Systeme integrieren alle notwendigen Komponenten in einem einzigen Gerät. Sie sind oft kosteneffizienter und einfacher zu installieren, eignen sich jedoch hauptsächlich für weniger komplexe Anwendungen, bei denen keine erweiterten Funktionen erforderlich sind.
Eingebettete Systeme sind Miniaturversionen, die direkt in Geräte integriert werden können. Diese Lösung eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen Platz und Kosten eine große Rolle spielen, wie beispielsweise in der Medizin- und Labortechnik oder in kleinen Automatisierungssystemen.
Was versteht man unter einer Soft-SPS? Bei dieser Form der Speicherprogrammierbaren Steuerung handelt es sich um Softwareemulationen, die auf einem PC oder einem anderen Host-System laufen. Sie bieten den Vorteil, dass sie unabhängig von der Hardwareplattform flexibel eingesetzt werden können. Allerdings müssen spezielle Maßnahmen getroffen werden, um die Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Alle SPS-Typen im Überblick:
Die Programmierung einer SPS erfolgt in der Regel nach dem internationalen Standard IEC 61131-3. Dieser Standard definiert mehrere Programmiersprachen, darunter Strukturierter Text (ST), Kontaktplan (KOP) und Funktionsbausteinsprache (FBS). Jede dieser Sprachen bietet spezifische Vorteile und eignet sich für unterschiedliche Arten von Steuerungsaufgaben.
Für die Programmierung und Verwaltung von SPS-Programmen stehen verschiedene Entwicklungsumgebungen und Software-Tools zur Verfügung. Beispiele hierfür sind Codesys, Siemens TIA Portal und Rockwell Automation Studio 5000. Diese Tools bieten umfangreiche Funktionen zur Erstellung, Überprüfung und Simulation von SPS-Programmen und erleichtern so die Entwicklung und Wartung.
In der Praxis werden SPS-Programme in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Beispiele hierfür sind die Steuerung von Produktionslinien, die Regelung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen sowie die Automatisierung von Verkehrsampeln. Diese Anwendungen zeigen die Vielseitigkeit und Flexibilität von SPS-Systemen in der Praxis.
Merke:
Programme für eine speicherprogrammierbare Steuerung können in verschiedenen Sprachen und Tools entwickelt werden, was ihre Anwendung vielseitig macht.
Speicherprogrammierbare Steuerungen finden in zahlreichen Branchen Anwendung. Im Sonderfahrzeugbau steuern sie Fertigungsstraßen und Montageanlagen. In der chemischen und petrochemischen Industrie regeln sie komplexe Verfahrensprozesse. In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie automatisieren sie Abfüll- und Verpackungslinien. Auch in der Gebäudeautomatisierung sind SPS-Systeme unverzichtbar.
Gegenüber verbindungsprogrammierten Steuerungen (VPS) bieten Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) erhebliche Vorteile. Sie sind flexibler und einfacher an neue Anforderungen anpassbar. Änderungen im Steuerungsprozess erfordern lediglich eine Anpassung des Programms, während bei VPS-Systemen physische Änderungen an der Verdrahtung notwendig sind. Zudem sind SPS-Systeme oft kosteneffizienter, da sie den Materialaufwand und die Installationszeit reduzieren.
Ein wesentlicher Vorteil der Speicherprogrammierbaren Steuerung ist ihre Fähigkeit zur Ferndiagnose und Fernwartung, was Wartungsarbeiten und Fehlerbehebung deutlich erleichtert. Herausforderungen bestehen vor allem in der Notwendigkeit qualifizierten Personals, das mit der Programmierung und Wartung von SPS-Systemen vertraut ist. Zukünftige Entwicklungen umfassen die Integration von IoT, Industrie 4.0 und künstlicher Intelligenz, um die Effizienz und Zuverlässigkeit weiter zu steigern.
Aktuelle Trends im Bereich der SPS-Technologie umfassen die zunehmende Integration von IoT und Industrie 4.0. Diese Entwicklungen ermöglichen eine noch engere Vernetzung und Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Systemen und Geräten.
Fortschritte in der Cybersecurity sind ebenfalls von großer Bedeutung, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von SPS-Systemen in einer zunehmend digitalisierten Welt zu gewährleisten. Zudem spielt die Nutzung von künstlicher Intelligenz eine wachsende Rolle, um proaktive Wartung und Optimierung von industriellen Prozessen zu ermöglichen.
Die Weiterentwicklung von SPS-Technologien wird stark von Trends wie der Digitalisierung und der Vernetzung industrieller Systeme beeinflusst. Zukünftige SPS werden noch leistungsfähiger, flexibler und sicherer sein. Prognosen zeigen, dass die Integration von Machine Learning – maschinelles Lernen (ML) und fortschrittlichen Analyse-Tools die Effizienz und Zuverlässigkeit industrieller Prozesse weiter verbessern wird. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Automatisierung und Optimierung von Produktionsprozessen in einer Vielzahl von Branchen.