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Speicherprogrammierbare Steuerungen (auch: SPS) sind in der heutigen Industrie nicht mehr wegzudenken. Ohne sie wäre ein großer Teil der modernen und automatisierten Fertigungstechnik nicht möglich.
Wie funktioniert eine SPS und wie ist sie aufgebaut? Wann wird sie eingesetzt und wie funktioniert die Programmierung?
simpleclub hilft dir, dieses Thema zu verstehen.
SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) einfach erklärt
Mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (auch: SPS) können Anlagen in der Industrie automatisiert gesteuert werden. Eine SPS ist ein kleiner Computer mit CPU und Speicher. Das Programm der SPS kann über Eingänge Signale von Sensoren wie z.B. Tastern und Näherungsschaltern auswerten. Abhängig von diesen Eingangssignalen können Aktoren über die Ausgänge der SPS gesteuert werden. So kann z.B. ein Schütz, ein Motor oder eine Leuchte angesteuert werden, wenn vorher ein bestimmter Taster betätigt wird.
Die SPS kann von der VPS unterschieden werden. VPS ist kurz für verbindungsprogrammierbare Steuerung.
Der Unterschied besteht darin, dass das Programm der SPS geändert werden kann und nicht abhängig von der physischen Verdrahtung ist. Außerdem kann eine SPS modular aufgebaut werden. Dadurch ist sie flexibel einsetzbar und erweiterbar.
SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) Definition
Eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) ist ein kleiner Computer, der zu Steuer- und Regelungszwecken eingesetzt wird. Die Steuerungssoftware ist auf dem Programmspeicher abgelegt. Das Programm der SPS wird von einem Techniker oder Ingenieur programmiert und in den Speicher der SPS geladen, damit es dort ausgeführt werden kann.
Ein modularer Aufbau und die Programmierbarkeit der Software ermöglichen große Flexibilität in der Anwendung.
SPS Erklärung
Aufbau einer SPS
Eine SPS setzt sich aus mehreren Baugruppen zusammen:
- Stromversorgung: Durch dieses Modul wird die Steuerung mit Strom versorgt.
- CPU: Hier steckt der Mikrocomputer drin, der die Berechnungen vornimmt. Außerdem ist in diesem Modul das Programm gespeichert.
- Eingangskarte: An dieses Modul werden alle Eingabegeräte angeschlossen, z. B. Schalter und Sensoren.
- Ausgangskarte: Hier finden sich die Pins, an die die Ausgabegeräte angeschlossen werden. Das können z. B. Lampen oder Aktoren sein.
- MPI und Profibus: MPI steht für Multi Point Interface". Über dieses Modul können weitere Systeme mit der SPS verbunden werden. Ein möglicher Kommunikationsstandard ist Profibus.
Adressierung der Ein- und Ausgänge
Damit Ein- und Ausgänge von der CPU gezielt angesteuert werden können, müssen sie mit Adressen versehen sein.
Es gibt verschiedene Ein- und Ausgabebytes, die jeweils aus 8 bits, d. h. 8 digitalen Ein- bzw. Ausgängen bestehen.
Die Adresse besteht zunächst aus dem Buchstaben, der angibt, ob es sich um einen Eingang (E) oder einen Ausgang (A) handelt. Es folgen zwei
Zahlen, die mit einem Punkt getrennt sind. Die erste Zahl gibt das Byte an, die zweite Zahl das Bit.
Wichtig: Es wird jeweils von 0 bis 7 durchnummeriert, das sind dann insgesamt acht Bytes bzw. Bits.
Die Adresse %E2.4 steht z.B. für das 5. Bit des 3. Bytes. Es handelt sich außerdem um einen Eingang.
HInweis: Es gibt verschiedene Konventionen für die Programmierung einer SPS. So können Eingänge auch mit I und Ausgänge mit Q bezeichnet werden
Programmiersprache
Es stehen verschiedene Programmiersprachen zur Verfügung, um eine SPS zu programmieren:
- Funktionsbausteinsprache (auch: FUP):
Bel der FUB ist das Programm grafisch durch verschiedene Funktionsbausteine dargestellt. Die Funktionsbausteine haben unterschiedliche Funktionen und können untereinander verbunden werden. - Anweisungsliste (auch: AWL): Bei einer AWL können die unterschiedlichen Funktionen durch Befehle aufgerufen werden, die untereinander geschrieben werden.
- Kontaktplan (auch: KOP): Bei einem KOP wird das Programm grafisch dargestellt. Er ähnelt einem Stromlaufplan.
- Strukturierter Text (auch: ST): Bei dem ST wird das Programm ähnlich zur AWL untereinander geschrieben und ist meist einfacher zu lesen.
Funktionsbausteine
Die wichtigste Programmiersprache ist die Funktionsbausteinsprache.
Bei einem Funktionsbaustein ist auf der linken Seite der Eingang und auf der rechten Seite der Ausgang.
Die gängigsten Funktionsbausteine sind die grundlegenden Logikoperationen.
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Bestimmung des Ausgangswertes
Die Programmierung berechnet einen sogenannten Ausgangswert.
Das Signal an einem Ein- bzw. Ausgang kann entweder den Wert 1 (true, wahr) oder den Wert 0 (false, falsch) annehmen.
Das Programm berechnet den Ausgangswert eines jeden Logikbausteins. Dieser Wert hängt davon ab, ob die Logikoperation erfüllt ist, oder nicht.
Der Wert des Signals am Ausgang eines Logikbausteins ist somit abhängig von den Eingangswerten und kann den Wert 0 oder 1 besitzen.
Anhand von Wahrheitstabellen lässt sich ganz einfach bestimmen, welche Eingangswerte notwendig sind, damit der Ausgang z.B. den Wert 1 besitzt.
Auf die linke Seite werden alle möglichen Eingangskombinationen geschrieben. Jede Ziffer steht für einen Eingang.
Rechts wird der Ausgangswert für diese Möglichkeit festgehalten.
Folgend ist ein Beispiel mit zwei Eingängen und einer UND-Verknüpfung. Es geht hier aber nur um die Darstellung.
A B (Eingänge) | Q (Ausgang) |
|---|---|
0 0 | 0 |
0 1 | 0 |
1 0 | 0 |
1 1 | 1 |
Verknüpfungen und ihre Defintionen
Hier ist eine Auflistung drei wichtiger Logikoperationen, ihrer Definition und dem Schema ihrer Wahrheitstabelle.
Verknüpfung | Definition | Wahrheitstabelle (Schema) |
|---|---|---|
UND-Verknüpfung | Der Ausgang ist 1, wenn alle Eingänge 1 betragen | 0 0 0 1 1 0 1 1 |
ODER-Verknüpfung | Der Ausgang beträgt 1, wenn mindestens ein Eingang 1 beträgt | 0 0 0 1 1 0 1 1 |
NICHT-Verknüpfung | Der Ausgang beträgt den Kehrwert des Eingangs | 0 1 |
SPS Anwendung
Speicherprogrammierbare Steuerungen finden in jedem automatisierten Industriebetrieb eine Anwendung.
In der Animation ist ein typisches Beispiel aus der Industrie im Bereich Paketierung zu sehen:
Auf einem Fließband werden Bauteile aus der Produktion angeliefert. Diese werden von einem Roboter gegriffen und auf eine Palette abgelegt. Von dort können sie z. B. mit einem Stapler abgeholt werden.
Für diesen recht einfachen Prozess wird eine automatisierte Steuerung benötigt, die mit einer SPS realisiert wird. Der Roboter besitzt eine eigene Steuerung, welche dessen Bewegung koordiniert. Die SPS dient als Schnittstelle, welche die unterschiedlichen Systeme (Fließband, Roboter, Sicherheitseinrichtungen) miteinander verknüpft.
Folgende, einfache Vernetzung soll realisiert werden:
Es soll genau dann die grüne Lampe leuchten (und damit ein Startsignal an den Roboter gesendet werden), wenn ein Paket in der Lichtschranke liegt und die Sicherheitstüre geschlossen ist, oder wenn der Testknopf gedrückt wird und die Sicherheitstüre geschlossen ist.
In Funktionsbausteinsprache kann diese Schaltung wie folgt realisiert werden:
Um den Funktionsplan zu verstehen, musst du die Anforderung genau durchlesen. Dir fällt auf, dass in beiden Fällen (Bauteil in Lichtschranke und Testknopf gedrückt) die Sicherheitstüre jeweils zu sein muss. Das heißt die Sicherheitstüre ist eine Voraussetzung dafür, dass das Signal an den Ausgang gesendet werden kann. Diese Tatsache wird durch die UND-Verknüpfung dargestellt. Wenn die Sicherheitstüre zu ist, wird das Signal gesendet, wenn ein Paket in der Lichtschranke liegt oder der Testknopf gedrückt ist. Dies wird mit der ODER-Verknüpfung dargestellt.
Zusammenfassung SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung)
Speicherprogrammierbare Steuerungen (auch: SPS) werden in der Industrie eingesetzt, um die Steuerung und Vernetzung von Anlagen zu übernehmen. Eine SPS besteht aus mehreren Komponenten und lässt sich durch diese modular aufbauen. Dadurch ist die Steuerung flexibel für viele verschiedene Anwendungsbereiche einsetzbar.
Die wichtigste Programmiersprache für SPS ist die der Funktionsbausteine. Hier werden grafisch verschiedene Ein- und Ausgänge mit Logikbausteinen verknüpft und ergeben so das Programm. Die Ein- und Ausgänge sind adressiert und können jeweils einzeln eingelesen bzw. angesteuert werden.
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