Was ist SPS Programmierung? Alles, was Sie über SPS-Steuerungstechnik wissen müssen
SPS Mitsubishi, Eaton Easy SPS oder vielleicht doch lieber die Beckhoff SPS? Und welches Zubehör ist das richtige? Fragen wie diese schwirren Ihnen durch den Kopf, während Sie sich das große Angebot an SPS-Systemen ansehen? Keine Sorge, wir haben uns die Zeit genommen, Ihnen einen Überblick über grundlegende Fakten & Informationen rund um das Thema SPS und SPS Programmierung zusammenzustellen. Lernen Sie mehr über die heutzutage nicht mehr wegzudenkenden Steuersysteme bzw. Steuerungstechnik und verschaffen Sie sich Durchblick in den folgenden Themenbereichen:
- Worauf sollte ich beim SPS kaufen achten?
- Worin unterscheiden sich die Industriesteuerungen?
- Wie ist ein SPS-System aufgebaut?
- Was ist ein HMI-System?
- Wo wird eine SPS verwendet?
- Welche unterschiedlichen SPS-Varianten und Module gibt es?
- Welche SPS-Programmiersprachen gibt es?
- Welche sind die führenden Hersteller von SPS-Steuerungstechnik?
Aufgrund der hohen Nachfrage haben wir diesen Artikel aktualisiert und um die Fragestellung „Welche SPS-Programmiersprachen gibt es?“ und „Was ist ein HMI-System?“ ergänzt.
Worauf sollte ich beim Kauf einer SPS-Industriesteuerung achten?
Vor der Anschaffung einer SPS und der zugehörigen Komponenten und Module, sollten Sie genau planen, wofür Sie das SPS-System einsetzen möchten und welche Funktionen es erfüllen soll.
Sind Sie Hobby-Techniker und Ihr Ziel ist die Umsetzung einer einfachen Rollladensteuerung SPS? Dann sind Ihre Anforderungen sicherlich um einiges geringer als die an ein komplexes SPS-System, das für industrielle Zwecke genutzt werden soll, mit Schnittstellen ausgestattet sein muss und Daten speichern und auswerten soll.
Gehen Sie sicher, dass Sie sich für ein Produkt entscheiden, das nicht zu komplex ist, zugleich aber die benötigten Aufgaben erfüllen kann.
Hinweis: Achten Sie auf die Angaben des jeweiligen SPS Steuerung Herstellers und prüfen Sie die Kompatibilität (Schnittstellen, Software, usw.) der Baugruppen zueinander.
Bedenken Sie auch, welchen Rahmenbedingungen das System in Ihrem Anwendungsfall ausgesetzt sein wird und ob eine Standard-SPS ausreicht oder ein spezielles System benötigt wird. Auch spezielle fehlsichere SPS sind in einigen Anwendungsfällen unabdingbar.
Natürlich ist letztendlich Ihr Budget bzw. Ihre Preisvorstellung auch entscheidend und dieser entsprechend sollten Sie sich je nach dem eher im günstigen Preissegment oder im Bereich der qualitativ hochwertigsten Systeme umsehen.
Worin unterscheiden sich die SPS-Industriesteuerungen?
Was ist eine SPS?
In vielen Bereichen werden heutzutage anstatt der verbindungsprogrammierten Steuerung (VPS) eine speicherprogrammierte Steuerung (SPS) eingesetzt. Diese ermöglichen die Regelung und Steuerung von Maschinen und Anlagen auf digitaler Basis.
Entdeckt wurde die erste speicherprogrammierte Steuerung 1968 von Ingenieuren des Unternehmens General Motors. Diese waren auf der Suche nach einem alternativen Steuerungssystem zu den aufwendigen Relaissteuerungen der verbindungsprogrammierten Steuerung.
Worin unterscheiden sich SPS und VPS?
Bei einer verbindungsprogrammierten oder auch verdrahtungsprogrammierten Steuerung (VPS) wird die Steuerschaltung mithilfe von zahlreichen Relais realisiert. Es handelt sich also sozusagen um ein fest verdrahtetes Programm. Bei der speicherprogrammierten Steuerung (SPS) hingegen wird die Steuerschaltung mittels einer Software umgesetzt. Diese Software wird so implementiert, dass sie die Arbeits- bzw. Laststromkreise steuert. Bei einer SPS handelt es sich so gesehen um einen speziell auf Steuerungsaufgaben zugeschnittenen Computer.
Welche Vorteile bietet eine SPS gegenüber einer VPS?
- Flexibilität für Änderungen per Software
- Interne Realisierung und Auswertung spezifischer Funktionen
- Unkomplizierte und beliebige Vervielfältigung des Codes
- Nachvollziehbarkeit durch kommentierte Befehlen im Code
- Einfache Integration in industrielle Steuersysteme
- Steuerung, Überwachung, Änderung aus der Ferne
- Änderung des Programms ohne Eingriff ins System
- Hohe Zuverlässigkeit
- Geringerer Stromverbrauch
Ein großer Vorteil der SPS-Steuerungstechnik liegt in ihrer Flexibilität für Änderungen. Häufig werden Steuerungen nicht auf Anhieb umgesetzt, sondern nach und nach optimiert, bis sie schließlich den Anforderungen entsprechend funktionieren.
Bei einer SPS können solche Änderungen einfach über die Änderung der Software realisiert werden, während bei einer herkömmlichen VPS die Verbindungen bei jedem Änderungswunsch umverdrahtet werden müssen. Änderungen können daher bei dem Einsatz einer SPS schneller und ohne Materialaufwand umgesetzt werden.
Ein weiterer Pluspunkt der SPS Steuerungstechnik ergibt sich durch die Möglichkeit der internen Realisierung und Auswertung spezifischer Funktionen wie der Erstellung von Verknüpfungen, der Ablauflaufsteuerung, der Auswertung von Zuständen sowie Zähl-, Zeit- und arithmetischer Funktionen. Für die Realisierung solcher Funktionen fallen bei VPS-Systemen Kosten für zusätzliches Material wie beispielsweise Zeitrelais an und es wird zudem mehr Platz benötigt.
Auch die Vervielfältigung gestaltet sich bei SPS-Systemen im Vergleich zur VPS um einiges unkomplizierter. Einmal geschrieben, kann die Steuerungssoftware beliebig oft kopiert und eingesetzt werden, während bei VPS-Systemen jede Steuerung erneut separat nachgebaut werden muss. Die Vervielfältigung einer SPS spart daher Zeit- und Materialaufwand zugleich.
Dass bei einer speicherprogrammierbaren Steuerung die Befehle kommentiert werden können, ist ein weiterer praktischer Aspekt dieses Steuerungstyps. Die Dokumentation kann so verständlich für Außenstehende im Code erfolgen und erleichtert das Nachvollziehen und die Umsetzung von Änderungen im Nachhinein.
Eine SPS ist zudem so konzipiert, dass sie leicht in industrielle Steuerungssysteme integriert werden kann und eignet sich daher beispielsweise für die Anbindung an andere IT-Anlagen ausgezeichnet. SPS-Programme lassen sich zudem aus der Ferne steuern, überwachen und verändern.
Die Ingenieure von General Motors hatten sich damals das Ziel gesetzt, einfach programmierbare Steuersysteme zu entwickeln, die kleiner, günstiger und sicherer sind als Relaissteuerungen. Auch die unkomplizierte und kostengünstige Wartung sowie die Möglichkeit der Änderung des Programms ohne Eingriff in das System gehörten zu den Anforderungen an das neu zu entwickelte System.
All diese Punkte erfüllt die SPS im Vergleich zur VPS. Eine SPS ist nicht nur flexibel und äußerst zuverlässig, sondern weist auch einen geringeren Stromverbrauch auf.
Welche Nachteile bietet eine SPS gegenüber einer VPS?
Zu den wenigen Nachteilen einer programmierten Steuerung gehört, dass sie für wenig komplexe und kleine Anlagen meist zu kostspielig ist. Zudem muss zusätzliche Infrastruktur und Technik wie Datenträger, Programmiergeräte, usw. eingesetzt werden. Eine SPS reagiert außerdem anfälliger bei Störungen in der Stromversorgung als eine VPS und zur Realisierung wird generell recht hoch qualifiziertes Fachkräftepersonal benötigt.
Hinweis: Trotz der zahlreichen Vorteile einer SPS lässt sich nicht grundsätzlich sagen, dass eine SPS besser als eine VPS ist. Es kommt dabei stets auf den Einzelfall und die spezifische Anwendung an.
Wie ist ein SPS-System aufgebaut?
Vereinfacht gesehen setzt sich SPS-Steuerungstechnik aus einer Eingabeeinheit, einer Verarbeitungseinheit und einer Ausgabeeinheit zusammen. Diese Struktur wird modellhaft als EVA-Prinzip bezeichnet (Eingabe – Verarbeitung – Ausgabe). Es werden also Signale eingelesen, im Verlauf des automatisierten Prozesses rechentechnisch verarbeitet und ausgewertet und schließlich werden Signale an die angebundene Schnittstelle ausgegeben. In den Prozess können nun zudem je nach Bedarf zusätzliche Baugruppen eingebunden werden.
Für die Eingabe können unterschiedlichste Sensoren zum Einsatz kommen. Je nach zu messendem Signal erfolgt die Eingabe über Lichtschranken, Temperatursensoren, Schalter, Taster und ähnliche. Die Signale können sowohl analog als auch digital an die Steuerung weitergegeben werden. Angeschlossen werden die Sensoren hierfür an die Eingabebaugruppen.
Wie funktioniert die Verarbeitung der Signale bei einer SPS?
Die eingegebenen Signale werden nun durch das jeweilige Steuerungsprogramm der SPS verarbeitet. In der Regel wird dieses Steuerungsprogramm über die entsprechende Bediensoftware am Computer erstellt und anschließend in die speicherprogrammierte Steuerung übertragen. In diesem Programm wird definiert, wie die Ausgänge in Abhängigkeit der Eingangszustände geschaltet werden sollen.
Die tatsächliche Verarbeitung der Signale übernimmt die Central Prozessor Unit (kurz: CPU). Sie umfasst unter anderem Speicherplatz für das Betriebssystem, Anwenderprogramm, Arbeitsspeicher, Zeitglieder, Prozessabbild der Ein- bzw. Ausgänge, Zähler, Merker und Akkumulatoren. Je nach Ausführung ist die CPU zudem nicht nur mit einer Schnittstelle für Programmiergeräte ausgestattet, sondern auch mit zusätzlichen Bus-Schnittstellen.
Die Ausgabe erfolgt durch an die Ausgänge angeschlossene Aktoren beispielsweise über Ausgabegruppen wie Relais, Signal- oder Meldeleuchten und Sirenen.
Was ist ein HMI-System?
Im Zusammenhang mit SPS fällt auch häufig die Abkürzung HMI. Doch wofür steht HMI und was verbirgt sich dahinter?
HMI ist die Abkürzung für Human Machine Interface, was wörtlich so viel wie „Mensch-Maschine-Schnittstelle“ bedeutet. Klingt kompliziert, ist jedoch eigentlich ganz simpel: Es handelt sich um ein Dashboard, über das der Mensch als Benutzer seine Maschinen, Programme und Systeme bedienen und mit diesen interagieren kann. Theoretisch kann es sich dabei um jeden beliebigen Bildschirm handeln, über den ein Anwender mit einem Gerät kommunizieren kann.
Ein einfaches Beispiel aus dem Alltag ist der Touchscreen eines Smartphones. Wir als Menschen können die Maschine – in dem Fall ein Smartphone – über den Bildschirm bedienen und alle verfügbaren Funktionen abrufen. Da ein Smartphone für Endbenutzer und nicht für langjährige Programmierer gemacht ist, muss die Schnittstelle auch leicht verständlich und einfach zu bedienen sein.
Hinweis: Ein HMI muss nicht immer kompliziert sein und mehrere Funktionen ermöglichen. Auch ein Lichtschalter ist so gesehen eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, denn nur über ihn können wir das Licht ein- und ausschalten.
Wie funktionieren HMI-Systeme für speicherprogrammierbare Steuerungen?
In der Industrie ist die Automatisierung in vielen Bereichen weit fortgeschritten und es gibt zahlreiche Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine. Im Zusammenhang mit speicherprogrammierbaren Steuerungen werden in der HMI alle wichtigen Informationen über den Betrieb einer Anlage angezeigt.
Häufig sind aussagekräftige Darstellungen wie Tabellen, Graphen und Diagramme abrufbar, die den Vorgang verständlich visualisieren. Der Bediener kann auf die im HMI angezeigten Informationen wie beispielsweise Temperatur, Druck, Spannung, Fehlerquote usw. reagieren und die Änderungen direkt am Bildschirm vornehmen. Das vereinfacht und beschleunigt die Überwachung und Steuerung von automatisierten Prozessen.
Wo wird eine SPS verwendet?
Seit ihrer Entdeckung hat sich die Technik der SPS-Systeme stets verbessert und damit wächst die Anzahl an Einsatzgebieten stets. Viele automatisierte Prozesse um uns herum werden mit SPS-Systemen gesteuert, ohne dass wir dies bewusst wahrnehmen. Klassische Alltagsbeispiele sind Ampelschaltungen, automatische Parkschranken, gesteuerte Lichtreklame und Straßenbeleuchtung und viele mehr.
Auch am und im Auto läuft heutzutage vieles automatisch basierend auf SPS-Steuerungen wie das Antiblockiersystem, die elektrischen Scheibenwischer und die Einspritzpumpe. Ein weiteres Beispiel für den Gebrauch im Alltag ist die automatisierte Steuerung von Rollläden und Markisen. Mithilfe von Licht- und Windsensoren sowie einer Zeitschaltuhr kann der automatische Betrieb mit einer SPS kostengünstig realisiert werden.
Wo kommt SPS in der Industrie zum Einsatz?
SPS-Steuerungstechnik ist heutzutage nicht mehr wegzudenken und kommt quasi überall dort zum Einsatz, wo Prozesse automatisiert ablaufen sollen. Von besonders hoher Bedeutung sind SPS-Systeme daher auch in der Produktion. Sie werden in Unternehmen aller Größen eingesetzt und ermöglichen Einsparungen im Bezug auf Zeit-, Material-, und Arbeitsaufwand.
Gesteuert wird hierbei mit mechanischer, pneumatischer, elektrischer, elektronischer oder hydraulischer Technik. Häufig kommen auch Kombinationen dieser Technologien zum Einsatz. Die SPS-Steuerung ermöglicht es dabei die Maschine bzw. Anlage so sicher und zuverlässig zu gestalten, wie es in dem jeweiligen Anwendungsfall erforderlich ist.
Bekannte Beispiele für Einsatzgebiete in der Produktion sind dabei automatisierte Steuerungsprozesse in der Chemie- sowie Automobilindustrie. Auch im Transport und Verkehr sind SPS-Systeme eine gängige Anwendung z. B. für die Steuerung von Ampelsystemen oder bei der Überwachung von Tunneln bezüglich Beleuchtung und Frischluft.
In der chemischen und petrol-chemischen Industrie beispielsweise müssen die Anlagen aufgrund der hohen Explosionsgefahr bei Fehlern und Ungenauigkeiten mit hochpräzisen Sensoren ausgestattet sein und eingesetzte SPS-Systeme steuern, visualisieren und verarbeiten große Datenmengen im Verlauf der Produktionsprozesse.
Wo liegen Grenzen der SPS?
Auch wenn die Technologie schnell fortgeschritten und hochentwickelt ist, kann SPS in einigen Gebieten noch nicht bzw. nur begrenzt zum Einsatz kommen. Die Anwendung der Systeme in explosionsgefährdeten Regionen beispielsweise ist eher selten der Fall.
Hier muss aus technischen Gründen mit eigensicheren Stromkreisen oder pneumatischen Signalen gearbeitet werden. Sicherheitshalber kann ein herkömmliches SPS-System auch durch eine druckfeste Kapsel geschützt werden, was den Zugriff auf das System während des Betriebs jedoch unmöglich macht.
Aufgrund ihrer Flexibilität im Bezug auf Veränderungen in der Software sind SPS-Systeme nicht ideal vor Manipulationen geschützt und werden daher für sicherheitsrelevante Einsatzgebiete wie beispielsweise im Geldverkehr eher selten eingesetzt. Auch zur Steuerung von Systemen mit nur wenigen Ein- und Ausgängen und zur Erledigung zeitkritischer Aufgabenstellungen eignet sich eine SPS eher weniger.
Welche unterschiedlichen SPS-Varianten und Module gibt es?
Auch wenn das Grundprinzip dasselbe ist, ist SPS nicht gleich SPS. Es gibt die speicherprogrammierten Steuerungssysteme heutzutage in zahlreichen verschiedenen Varianten von der Baugruppe über PC-Einsteckkarten bis hin zur Softwareemulation.
Grob kategorisieren kann man die Systeme dabei nach:
- Modularität (modular, kompakt)
- Arbeitsablauf (zyklisch, zyklusorientiert, ereignisgesteuert)
Bei modularen SPS wird die Steuerung mit einzelnen Komponenten realisiert, welche jeweils eine andere Aufgabe übernehmen. Diese modulare Lösung wird zunehmend bevorzugt eingesetzt, da sich die Systeme nach dem Baukastenprinzip unkompliziert um Baugruppen für zusätzliche Ein- und Ausgänge erweitern lassen.
Die Verbindung der Baugruppen miteinander erfolgt über ein Bussystem. Spezialisierte Module sind zudem mit Schnittstellen ausgestattet, die die Integration von Komponenten ermöglichen. So können beispielsweise auch analoge Eingangssignale vom SPS-System verarbeitet werden oder Positionier- und Kommunikationsgruppen angeschlossen werden.
Die modularen SPS können aufgrund ihrer Eigenschaften also besonders flexibel eingesetzt und erweitert werden. Beispiele für Erweiterungsmodule sind Anbindungen von Feldbus-Systemen, Busmodule und digitale oder analoge Ein- bzw. Ausgangskarten.
Kompakte Steuerungssysteme sind im Vergleich zu modularen SPS in der Regel kostengünstiger und nehmen weniger Platz ein. Allerdings sind diese nur begrenzt bzw. nicht erweiterbar.
Hinweis: Es gibt heutzutage auch Modelle, die sowohl einen kompakten als auch modularen Charakter aufweisen und sowohl erweiterbar und flexibel als auch platzsparend sind.
Wie unterscheiden sich SPS-Systeme in ihrem Verarbeitungsablauf?
Die SPS-Systeme werden in ihrem Verarbeitungsablauf nach zyklisch, zyklusorientiert mit Unterbrechungsverarbeitung und ereignisgesteuert unterschieden. Erstere durchlaufen das EVA-Prinzip immer wieder zyklisch, um so Änderungen der Eingänge zu registrieren und zu verarbeiten. Der Zyklus wird vom Betriebssystem bestimmt und es handelt sich für gewöhnlich um zeitliche Abstände von einigen Millisekunden oder weniger.
Eben diese Systeme gibt es nun auch mit Unterbrechungsverarbeitung. Bei einem Zustandswechsel wird hier das Betriebssystem alarmiert, das laufende Programm angehalten und ein extra für den Fall definiertes Programmmodul aufgerufen. Bei der ereignisgesteuerten SPS werden die Ereignisse vom System aufgelistet und der Reihenfolge nach abgearbeitet. Diese Systeme sind meist zudem objektorientiert, was für die zeitgleiche Visualisierung der Vorgänge genutzt wird.
Was ist eine Slot-SPS?
PC-Einsteckkarten, auch als Slot-SPS bezeichnet, werden für die Umsetzung von Automatisierungsaufgaben mittels SPS eingesetzt. Sie ermöglichen es beispielsweise, Daten effektiv und schnell zwischen einer SPS und der entsprechenden Anwendungssoftware zu vermitteln. Die PC-Einsteckkarten sind mit eigenen Schnittstellen ausgestattet, sodass die Ansteuerung von Sensoren und Aktoren erfolgen kann.
Welche SPS-Programmiersprachen gibt es?
Unabhängig des Herstellers gibt es bei der SPS-Programmierung fünf verschiedene Programmiersprachen, die zur Verfügung stehen. Diese werden in der einzigen weltweit gültigen Norm IEC 61131 für SPS-Programmiersprachen wie folgt aufgeführt:
- Kontaktplan (KOP)
- Funktionsplan (FUP)
- Ablaufsprache (AS)
- Anweisungsliste (AWL)
- Strukturierter Text (ST)
Hinweis: Während die Programmiersprachen Anweisungsliste und Strukturierter Text textbasiert sind, unterstützen die anderen drei Sprachen den Anwender grafisch. Die Ablaufsprache enthält neben grafischen auch textuelle Elemente und wird häufig als Mischform angesehen.
Wie lassen sich die SPS-Programmiersprachen einordnen?
Die grafische Programmiersprache Kontaktplan (KOP) hat ihren Ursprung bereits bei den verdrahtungsprogrammierten Steuerungen (VPS). Sie stellt ein Netzwerk aus Tastern, Schaltern und elektromechanischer Relais dar. Zur Bearbeitung kommen hauptsächlich boolsche Signale zum Einsatz.
Funktionsplan (FUP) stammt aus der digitalen Signalverarbeitung. Zum Einsatz kommen Darstellungen, die an die Schaltsymbole der Digitaltechnik erinnern. Im Gegensatz zu KOP lassen sich bei FUP Unterfunktionen sich in neuen Funktionsbausteinen zusammenfassen. Das macht diese Sprache universeller anwendbar.
Mit der Ablaufsprache (AS) lassen sich komplexe Programmieraufgaben in überschaubare Einheiten zerlegen. Die Einheiten selbst sind in einer der vier anderen Sprachen zu programmieren. Diese Strukturierung ist besonders für Abläufe mit schrittweisem Zustandsverhalten geeignet.
Die Sprache Anweisungsliste (AWL) funktioniert zeilenorientiert und verfolgt demnach einen maschinennahen Ansatz. Allerdings erschweren zahlreiche Schlüsselwörter und der Mangel mächtiger Sprachstrukturen den Überblick. Deshalb wird AWL häufig als gemeinsame Zwischensprache für die übrigen Sprachen verwendet.
Strukturierter Text (ST) ist eine textbasierte Hochsprache, die an die Programmiersprache Pascal erinnert. ST erlaubt eine kompakte Formulierung beim Programmieren und mithilfe von Anweisungsblöcken ist ein übersichtlicher Aufbau möglich.
Welche sind die führenden Hersteller von SPS-Steuerungstechnik?
Sie haben sicherlich schon einmal von einer SPS Steuerung Mitsubishi, einer Beckhoff SPS oder einer Eltako Schaltung SPS gehört. Mitsubishi, Beckhoff, Eaton und Eltako gehören zu den führenden Herstellern im Bereich der SPS-Steuerungstechnik und Zubehör. Auch die Siemens Industry SPS Elektronik liefert mit Siemens Funk SPS, Touchpanel SPS und SPS-Controllern wie aus den Serien LOGO! und SIMATIC Spitzentechnologie in jederlei Hinsicht.
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