Aufbau & Funktionsweise
Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)
Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) kommen heutzutage fast überall in der Industrie zum Einsatz. Sie ermöglichen eine digitale und flexible Programmierung der Anlagensteuerung. Außerdem dienen sie als Quelle für Prozessdaten und kommunizieren direkt mit übergeordneten Systemen. Lesen Sie, wie eine SPS funktioniert und lernen Sie Beispiele für häufig eingesetzte Steuerungen kennen.
Definition
Was ist eine speicherprogrammierbare Steuerung?
Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein Gerät zur automatisierten Steuerung und Regelung von Maschinen oder Anlagen.
Sie verfügt über Eingänge und Ausgänge, ein Betriebssystem und eine Schnittstelle zum Laden eines Anwenderprogramms. Dieses Anwenderprogramm legt fest, wie Ausgangssignale auf Basis von Eingangssignalen geschaltet werden und bestimmt damit die Steuerungslogik.
SIMATIC S7-1500 – Speicherprogrammierbare Steuerung von Siemens
Das Besondere an einer speicherprogrammierbaren Steuerung ist, dass das Anwenderprogramm individuell programmiert, leicht angepasst und für mehrere Steuerungen wiederverwendet werden kann. Die SPS ist damit deutlich flexibler als ihre Vorgänger – Steuerungen, die eine feste Verdrahtung erforderten und bei Änderungen manuell umgebaut werden mussten.
Heute werden speicherprogrammierbare Steuerungen fast überall in der Industrie eingesetzt. Neben der automatisierten Anlagensteuerung dienen sie auch zur Sammlung von Prozessdaten.
Die englische Bezeichnung für eine speicherprogrammierbare Steuerung ist Programmable Logic Controller (PLC).
Funktionsweise
Wie funktioniert eine speicherprogrammierbare Steuerung?
Anlagensteuerung
Die Steuerung von Anlagen mit einer SPS erfolgt über Sensoren und Aktoren.
Sensoren sind mit den Eingängen der SPS verbunden und übermitteln Messungen wie Temperatur, Füllstandsniveau oder den Zustand eines Schalters an die SPS. Eine SPS kann sowohl digitale als auch analoge Eingänge aufweisen.
Aktoren dagegen sind an den SPS-Ausgängen angeschlossen und setzen die Ausgangssignale der SPS in physikalische Aktionen um (z. B. durch das Einschalten eines Motors, das Öffnen eines Magnetventils oder das Aktivieren einer Signalleuchte).
Während des Betriebs liest die SPS den Zustand ihrer Eingänge aus und leitet auf Basis ihres Anwenderprogramms die entsprechenden Ausgangssignale ab. Über die Aktualisierung der Ausgänge wird so die Maschine gesteuert.
Datenerfassung und Kommunikation
Neben der vordergründigen Steuerungsaufgabe erfüllen speicherprogrammierbare Steuerungen oft noch weitere Funktionen.
Eine davon ist das Aufzeichnen von Prozessdaten, Betriebszuständen, Stückzahlen, Störungen und ähnlichen Daten. Diese können lokal gespeichert oder zur Auswertung an zentrale Systeme übermittelt werden.
In der modernen Industrie dienen speicherprogrammierbare Steuerungen als wichtige Datenquelle für betriebsrelevante Daten. Die erfassten Daten werden vor allem zur Überwachung und Optimierung von Abläufen eingesetzt, dienen aber auch zur Dokumentation und Rückverfolgung.
In der Praxis sind speicherprogrammierbare Steuerungen häufig an produktionsnahe Systeme wie SCADA oder MES angebunden. Aber auch Cloud-Plattformen wie manubes können direkt mit einer SPS kommunizieren.
Um mit anderen Systemen zu kommunizieren, unterstützen vor allem moderne SPS bestimmte Industrieprotokolle. Beispiele sind:
In der klassischen Automatisierungspyramide ist die SPS auf der Steuerungsebene angesiedelt. Heute verschwimmen die Grenzen jedoch zunehmend und SPS kommunizieren direkt mit höheren Ebenen, darunter auch Cloud-Plattformen.
manubes bindet Steuerungen und andere Produktionssysteme an eine zentrale Plattform an. Strukturieren Sie Ihre Daten, erstellen Sie individuelle Dashboards für die Produktionsüberwachung und automatisieren Sie Abläufe mithilfe eigener Workflows.
Komponenten
Wie ist eine speicherprogrammierbare Steuerung aufgebaut?
Speicherprogrammierbare Steuerungen gibt es in verschiedenen Formen:
- Kompakt-SPS / Einzelgerät: Eingänge und Ausgänge (I/O), CPU und Schnittstellen sind in einem Gehäuse integriert
- Modulare SPS: Besteht aus kombinierbaren Modulen (I/O, CPU, Kommunikationsmodule etc.)
- Soft-SPS: SPS-Logik läuft auf einem PC und wird über Software gesteuert
Kompakt-SPSen eignen sich vor allem für kleinere Automatisierungsaufgaben (z.B. Pumpensteuerung), wogegen modulare und softwarebasierte SPSen u.a. dort zum Einsatz kommen, wo mehr Flexibilität und Leistung benötigt werden (z.B. komplexe Fertigungsstraßen mit vielen Sensoren und Robotern).
Vorteile
Was sind die Vorteile einer speicherprogrammierbaren Steuerung?
Im Vergleich mit klassischen, festverdrahteten Steuerungen bietet die SPS eine Reihe technischer und wirtschaftlicher Vorteile. Diese haben dazu geführt, dass sich die SPS gegenüber anderen Steuerungssystemen durchgesetzt hat und seit Jahrzehnen fest in der Industrie etabliert ist.
Flexibilität und zeitsparende Programmierung
Programmänderungen sind bei einer SPS vergleichsweise einfach durch die Anpassung des digitalen Anwenderprogramms möglich. Eine Umverdrahtung wie bei einer verbindungsprogrammierten Steuerung (festverdrahtet) ist nicht erforderlich. Das macht die SPS ideal für Umgebungen mit wechselnden Produktionsanforderungen.
Wiederverwendbarkeit von Anwendungsprogrammen
Einmal verwendete Anwenderprogramme können kopiert, angepasst und wiederverwendet werden. Mehrfach verwendbare Funktionsbausteine und Bibliotheken ermöglichen eine schnelle Inbetriebnahme neuer Geräte mit gleicher oder ähnlicher Konfiguration.
Wiederverwendbarkeit von Anwendungsprogrammen
Einmal verwendete Anwenderprogramme können kopiert, angepasst und wiederverwendet werden. Mehrfach verwendbare Funktionsbausteine und Bibliotheken ermöglichen eine schnelle Inbetriebnahme neuer Geräte mit gleicher oder ähnlicher Konfiguration.
Modularität und Skalierbarkeit
Modular aufgebaute SPSen können durch zusätzliche Module erweitert werden, darunter zusätzliche Eingänge und Ausgänge sowie Schnittstellen zur Kommunikation mit anderen Systemen. Damit kann einerseits die Steuerung selbst an erhöhte Anforderungen angepasst werden. Andererseits führt die Verwendung gleicher Module zu Größenvorteilen und einer erhöhten Verfügbarkeit von Ersatzteilen.
Einfachere Wartung und Diagnose
Moderne SPSen bieten Funktionen zur Visualisierung von Meldungen und Zuständen, zur Alarmierung sowie zur Aufzeichnung von Prozessdaten. Auch die Möglichkeit des Fernzugriffs und die Integration in zentrale Steuerungs- und Überwachungssoftware sorgt für eine Erleichterung von Wartungs-, Troubleshooting- und Konfigurationsprozessen.
Einfachere Wartung und Diagnose
Moderne SPSen bieten Funktionen zur Visualisierung von Meldungen und Zuständen, zur Alarmierung sowie zur Aufzeichnung von Prozessdaten. Auch die Möglichkeit des Fernzugriffs und die Integration in zentrale Steuerungs- und Überwachungssoftware sorgt für eine Erleichterung von Wartungs-, Troubleshooting- und Konfigurationsprozessen.
Beispiele für speicherprogrammierbare Steuerungen
WAGO PFC300
Die SPS WAGO PFC300 ist eine leistungsfähigere Steuerung für mittlere bis große Anwendungen und größere Datenmengen. Sie verfügt über serielle, Ethernet- und USB-Schnittstellen und eine offene Architektur mit Docker-Kompatibilität und Unterstützung für industrielle Standardprotokolle.
Siemens LOGO!
LOGO! ist eine Kleinsteuerung von Siemens mit nativer Unterstützung für mehrere Cloud-Plattformen, MQTT und E-Mail-Funktionalität. Die SPS eignet sich damit unter anderem für kleinere Automatisierungsaufgaben und die ressourcensparende Cloud-Integration.
SIMATIC S7-1500
Die SIMATIC S7-1500 ist eine modular aufgebaute SPS aus der S7-Reihe von Siemens mit Fokus auf hoher Performance. Sie kann durch verschiedene Arten von Baugruppen erweitert werden, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen, darunter zusätzliche Schnittstellen und Leistung.
WAGO PFC300
Die SPS WAGO PFC300 ist eine leistungsfähigere Steuerung für mittlere bis große Anwendungen und größere Datenmengen. Sie verfügt über serielle, Ethernet- und USB-Schnittstellen und eine offene Architektur mit Docker-Kompatibilität und Unterstützung für industrielle Standardprotokolle.
Siemens LOGO!
LOGO! ist eine Kleinsteuerung von Siemens mit nativer Unterstützung für mehrere Cloud-Plattformen, MQTT und E-Mail-Funktionalität. Die SPS eignet sich damit unter anderem für kleinere Automatisierungsaufgaben und die ressourcensparende Cloud-Integration.
SIMATIC S7-1500
Die SIMATIC S7-1500 ist eine modular aufgebaute SPS aus der S7-Reihe von Siemens mit Fokus auf hoher Performance. Sie kann durch verschiedene Arten von Baugruppen erweitert werden, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen, darunter zusätzliche Schnittstellen und Leistung.
WAGO PFC300
Die SPS WAGO PFC300 ist eine leistungsfähigere Steuerung für mittlere bis große Anwendungen und größere Datenmengen. Sie verfügt über serielle, Ethernet- und USB-Schnittstellen und eine offene Architektur mit Docker-Kompatibilität und Unterstützung für industrielle Standardprotokolle.
Siemens LOGO!
LOGO! ist eine Kleinsteuerung von Siemens mit nativer Unterstützung für mehrere Cloud-Plattformen, MQTT und E-Mail-Funktionalität. Die SPS eignet sich damit unter anderem für kleinere Automatisierungsaufgaben und die ressourcensparende Cloud-Integration.
SIMATIC S7-1500
Die SIMATIC S7-1500 ist eine modular aufgebaute SPS aus der S7-Reihe von Siemens mit Fokus auf hoher Performance. Sie kann durch verschiedene Arten von Baugruppen erweitert werden, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen, darunter zusätzliche Schnittstellen und Leistung.
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