Speicherprogrammierbare Steuerung

Definition und Bedeutung

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS; englisch programmable logic controller, PLC) ist ein Gerät, das zur Steuerung oder Regelung einer Maschine oder Anlage eingesetzt und auf digitaler Basis programmiert wird. Sie löste die „festverdrahtete“ verbindungsprogrammierte Steuerung in den meisten Bereichen ab. In neueren Systemen werden PLC und PAC (programmable automation controller) teilweise miteinander vereinigt.

Im einfachsten Fall besitzt eine SPS Eingänge, Ausgänge, ein Betriebssystem beziehungsweise eine Firmware und eine Schnittstelle zum Laden des Anwenderprogramms. Dieses Programm legt fest, wie die Ausgänge abhängig von den Eingängen geschaltet werden. Das Betriebssystem stellt dem Programm den aktuellen Zustand der Geber zur Verfügung.

Sensoren, etwa Taster, Lichtschranken, Inkrementalgeber, Endschalter, Temperaturfühler oder Füllstandssensoren, erfassen Vorgänge in der Maschine und sind mit den Eingängen verbunden. Aktoren an den Ausgängen setzen die Steuerbefehle um. Beispiele sind Schütze zum Einschalten von Elektromotoren, elektrische Ventile für Hydraulik oder Druckluft sowie Module für Antriebssteuerungen (Motion Control), beispielsweise Drehzahlsteuerungen mit kontrollierter Beschleunigung oder Verzögerung und Schrittmotorsteuerungen.

Moderne SPS-Baugruppen übernehmen neben Steuerungs- und Regelungsaufgaben zunehmend Visualisierung, Alarmierung und die Aufzeichnung von Betriebsmeldungen (Data-Logging). Sensoren und Aktoren werden häufig über Feldbusse statt einzeln verdrahtet angeschlossen. Auch Eingangs- und Ausgangsbaugruppen können über Bus- und Interfacemodule als dezentrale Peripherie mit einer Zentralstation verbunden werden. Netzwerke wie Profinet ergänzen oder ersetzen Bussysteme. Außerdem werden SPS mit Verwaltungsrechnern verbunden (vertikale Integration), sodass beispielsweise Fertigungsstände und Lagerbestände verfügbar sind. Dadurch nähert sich eine moderne SPS technisch einem Prozessleitsystem an.

Arbeitszyklus und Betriebszustände

Die SPS arbeitet grundsätzlich nach dem EVA-Prinzip: Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe. Am Anfang eines Zyklus werden die Werte aller Eingänge eingelesen; dies wird als Einlesen des Prozessabbildes der Eingänge bezeichnet. Danach verarbeitet die SPS das gespeicherte Anwenderprogramm, das auch aus Bausteinen oder Netzwerken bestehen kann. Die berechneten Werte werden in das Prozessabbild der Ausgänge geschrieben und am Ende des Zyklus an die Ausgänge übertragen. Anschließend beginnt der Zyklus erneut; ein endgültiges Programmende gibt es nicht.

Bei zyklusorientierten SPS läuft der Vorgang in wiederkehrenden Schritten ab: Initialisierung und Aktualisierung der Eingänge, Verarbeitung des Anwenderprogramms sowie Ausgabe des Ausgangsabbildes. Bedingte Aufrufe und Verzweigungen können unterschiedliche Laufzeiten verursachen. Die Zykluszeit beträgt typischerweise 1 bis 10 Millisekunden; bei leistungsstarken Modellen oder kleinen Programmen sind auch Zeiten bis 100 µs möglich. Einige Modelle unterstützen einen festen oder asynchronen Zyklus.

Ändert ein Sensor seinen Zustand während der Programmbearbeitung, wird diese Änderung normalerweise erst im nächsten Zyklus erkannt. Spezielle Befehle können Eingänge unmittelbar vor der Bearbeitung erneut laden. Für zeitkritische Aufgaben gibt es zyklische SPS mit Unterbrechungsverarbeitung: Eine spezielle Eingangskarte meldet einen Statuswechsel als Alarm (Interrupt), unterbricht das laufende Programm und ruft eine angepasste Interrupt Service Routine auf. Danach wird das ursprüngliche Programm fortgesetzt. Ereignisgesteuerte SPS sammeln Statuswechsel von Sensoren und bearbeiten die zugehörigen Programmteile in dieser Reihenfolge; viele dieser Systeme sind zugleich objektorientiert.

Die üblichen Betriebszustände sind STOP und RUN. Sie dürfen nicht mit AUS und AN der globalen Stromversorgung verwechselt werden. In STOP wird das Anwenderprogramm nicht mehr aufgerufen und die Prozessabbilder werden nicht mehr aktualisiert. Die Ausgänge werden abgeschaltet, während das Prozessabbild erhalten bleibt. Beim Wechsel in RUN beginnt die zyklische Bearbeitung erneut. Nach einem Neustart kann ein Teil des Ausgangsabbildes den Zustand vor dem Neustart behalten; wenn das unerwünscht ist, muss vor dem Neustart ein RESET ausgeführt werden.

Konzepte, Bauformen und Baugruppen

Nach der Modularität werden vor allem modulare SPS, Kompakt-SPS und Chip- beziehungsweise eingebettete SPS unterschieden.

Eine modulare SPS besteht aus einzelnen Komponenten mit unterschiedlichen Aufgaben. Das Grundbeispiel umfasst eine zentrale Rechenbaugruppe mit dem Hauptprozessor sowie mindestens eine Eingabe- und eine Ausgabebaugruppe. Durch zusätzliche Module können weitere Ein- und Ausgänge, serielle Schnittstellen, analoge Signalverarbeitung, komplexe Regelungen oder andere Funktionen ergänzt werden. Der modulare Aufbau ermöglicht hohe Flexibilität und Erweiterbarkeit und kann bei größeren Anlagen durch die Verwendung vieler gleicher Module Kosten sparen.

Kompaktsteuerungen sind nicht oder nur eingeschränkt erweiterbar. Sie sind dafür preiswerter und platzsparend und besitzen grundsätzlich dieselben Grundfunktionen wie modulare SPS. Einzelgeräte eignen sich besonders für die Miniaturisierung und kleinere Automatisierungsaufgaben.

Chip- oder eingebettete SPS werden für kleine Maschinen mit geringem oder mittlerem Volumen eingesetzt. Sie können SPS-Sprachen wie Kontaktplan, Flow-Chart oder Grafcet ausführen und lassen sich ähnlich wie Mikrocontroller in kundenspezifische Leiterplatten integrieren. Sie liegen zwischen klassischer SPS beziehungsweise Mikro-SPS und Mikrocontrollern.

Für mobile Arbeitsmaschinen gibt es seit 1980 Sonderformen. Diese „Mobile Automation“-Kompakt-SPS besitzen wegen großer Umgebungseinflüsse ein geschlossenes Metallgehäuse und können hydraulische Ventile direkt proportional ansteuern. Einsatzfelder sind Baumaschinen, Kräne, Hebebühnen und Kommunalfahrzeuge.

Typische Baugruppen eines modularen Systems sind Zentralbaugruppe, Anschaltungen für Feldbus-Systeme, Busmodule, digitale und analoge Eingangs- sowie Ausgangskarten. Digitale Eingangskarten verwenden meist eine Potentialtrennung mittels Optokoppler; digitale Ausgangskarten sind beispielsweise als offener Kollektor oder Relais ausgeführt. Daneben existieren integral aufgebaute Komplett-Einheiten und Mischformen.

Aufbau, Programmierung und Daten

Die klassische SPS besitzt eine Prozessorarchitektur, die für Bit-, Byte-, Wort- und Doppelwort-Verknüpfungen optimiert ist. Siemens-Steuerungen werden beispielsweise Byte-weise adressiert, Omron-Steuerungen dagegen mit 16 Bit. Bei der Verbindung verschiedener Steuerungen über einen Feldbus wie Profibus muss diese unterschiedliche Adressierung berücksichtigt werden. Unter Umständen müssen Oktetts innerhalb eines Worts paarweise getauscht werden, damit die Information korrekt abgebildet wird.

Die Steuerung wird mit einem Programmiergerät programmiert. Die dabei erstellte Konfiguration wird auf die SPS geladen und bleibt gespeichert, bis sie gelöscht oder überschrieben wird. Moderne SPS sind klassische Mikrocontroller mit eigener CPU, Echtzeitbetriebssystem und SPS-spezifischen Bausteinen, etwa für Zeitfunktionen und Schnittstellen zu Erweiterungsboards. PAC-Systeme verbinden Eigenschaften von SPS und IPC (Industrie-PC) und bieten eine einfache Programmierung sowie eine bessere und schnellere Anbindung am Einsatzort.

SPS werden meist mit speziellen, häufig grafischen Programmiersprachen programmiert. Das Ladder Diagram beziehungsweise der Kontaktplan orientiert sich an Stromlaufplänen und setzte Öffner, Schließer sowie Parallel- und Serienverschaltungen eins zu eins in das neue Konzept um. Der Kontaktplan ist deshalb auch für viele Elektriker verständlich. In DIN EN 61131-3 sind fünf Programmiersprachen spezifiziert. Die Entwicklung begann in den 1970er Jahren unter anderem bei Texas Instruments, Modicon, ISSC und Allen-Bradley, später Rockwell. Der erste deutsche Hersteller war 1975 Klaschka mit den SECON-Steuerungen. Anfang der 1980er Jahre boten SPS bereits Bit-, Byte- und Wortverarbeitung, Sequenzer, Analogwertverarbeitung, PID-Regler und grafische Bedienschnittstellen.

Wesentliche Operanden beziehungsweise Programmbestandteile sind Eingang, Ausgang, Variable, Funktionsblock, Funktion und Programm. Ein Eingang ist mit einem Geber, ein Ausgang mit einem Stellglied verbunden. Eine Variable enthält ein vom Programmierer festgelegtes Zwischenergebnis; ohne zugewiesenen Wert gilt sie als „undefiniert“. Von einem Funktionsblock können mehrere Instanzen erzeugt werden. Bei einer Funktion werden interne Variablen bei jedem Aufruf neu initialisiert, sodass gleiche Eingangswerte dasselbe Ergebnis liefern. Programmvariablen werden nur beim ersten Aufruf initialisiert, weshalb gleiche Eingänge zu verschiedenen Ergebnissen führen können.

Merker, Zähler und Zeitglieder können remanent sein. Dann bleibt ihr Wert bei Spannungsausfall erhalten, etwa durch eine Pufferbatterie, einen speziellen Kondensator oder eine Speicherung im EEPROM. Auch interne Zustände können über Programmänderungen oder einen Kaltstart hinweg gesichert werden; ob das für das Wiederanfahren hilfreich oder gefährlich ist, muss im Einzelfall entschieden werden.

Sicherheit, Grenzen und Vergleich zur VPS

Eigensichere Anlagen sind so ausgelegt, dass auch im Fehlerfall kein Funke entsteht, der ein zündfähiges Gemisch entzünden könnte. Ein Merkmal ist die Begrenzung der Ein- und Ausgangsströme auf 0 beziehungsweise 4–20 mA. Solche Geräte werden beispielsweise in Chemieanlagen eingesetzt. In explosionsgefährdeten Bereichen befindet sich die SPS meist außerhalb des Gefahrenbereichs; angeschlossen werden eigensichere Stromkreise oder eigensichere Datenbusse. Eine handelsübliche SPS kann auch druckfest gekapselt werden, ist dann aber während des Betriebs nicht zugänglich.

Wenig sinnvoll ist eine SPS bei Steuerungsaufgaben mit sehr wenigen Ein- und Ausgängen, etwa beim Stern-Dreieckanlauf eines Motors, wenn dafür spezielle Bausteine vorhanden sind. Für hoch spezialisierte, sehr zeitkritische Aufgaben kann ihr Einsatz teure Feldversuche erfordern. Wegen ihrer Flexibilität ist sie außerdem für manipulationssichere Aufgaben wie Zugangsberechtigungen oder Automaten mit Geldverkehr nur eingeschränkt geeignet. Im Juli 2010 wurde mit Stuxnet der erste Computerwurm entdeckt, der sich speziell gegen Industriesysteme richtete und deren Funktionsweise manipulieren konnte.

Sicherheitsgerichtete SPS, auch SSPS oder Sicherheits-SPS genannt, sollen die Anlage im Zweifel möglichst schnell in einen sicheren Zustand bringen. In ihnen arbeiten zwei Prozessoren dasselbe Programm ab und kontrollieren sich gegenseitig. Bei einem Konflikt wird nicht wie bei hochverfügbaren Systemen der Weiterbetrieb angestrebt, sondern die Anlage abgeschaltet oder in den sicheren Zustand versetzt. Sicherheitsgerichtete Anwenderprogramme sind prüfpflichtig; jede Änderung muss neu geprüft werden, und beim Übertragen einer neuen Version muss die Anlage stillgesetzt werden.

Gegenüber einer verbindungsprogrammierten Steuerung (VPS) ist eine SPS flexibler, kleiner, zuverlässiger, häufig langfristig kostengünstiger und mit IT-Anlagen vernetzbar. Sie ermöglicht meist schnellere Fehleranalyse, Fernwartung, geringeren Stromverbrauch, einfachere Umverdrahtung oder Funktionswechsel und eignet sich besser für komplexe Aufgaben. Nachteile sind zusätzliche Infrastruktur wie Programmiergeräte, Software und Datensicherung, höher qualifiziertes Personal, aufwendige Sicherheitskonzepte, teilweise unabhängige Hardware-Sicherheit, eine Fehlersuche nur mit Programmiergerät, höhere Empfindlichkeit bei Störungen der Stromversorgung und hohe Hardwarekosten bei kleinen Anlagen. Zur Verringerung von Manipulationsmöglichkeiten können Betriebssystem und Programm in einen Festwertspeicher (ROM) verlagert werden.