Ein tiefer Einblick in speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

In der Welt der industriellen Automatisierung zeichnet sich eine Schlüsselkomponente durch ihre zentrale Rolle bei der Steuerung von Maschinen und Prozessen aus: die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) . Eine SPS wird oft als „Gehirn“ einer Fabrikhalle bezeichnet und ist ein robuster Spezialcomputer, der für den zuverlässigen Betrieb in rauen Industrieumgebungen ausgelegt ist. Im Gegensatz zu einem Standard-Desktop-Computer, der für allgemeine Aufgaben konzipiert ist, ist eine SPS für die Steuerung, Überwachung und Datenerfassung in Echtzeit konzipiert. Seine Fähigkeit, Logik-, Timing- und Sequenzierungsfunktionen mit unerschütterlicher Präzision auszuführen, macht es für eine Vielzahl von Anwendungen unverzichtbar, von der Fertigung und Robotik bis hin zu HVAC-Systemen und Ampeln.

Die Architektur einer SPS

Im Kern besteht ein SPS-System aus mehreren wesentlichen Komponenten, die im Einklang arbeiten:

• Zentraleinheit (CPU): Das Gehirn der SPS, die CPU, enthält den Prozessor und den Speicher. Es ist für die Ausführung des Steuerprogramms, die Durchführung logischer Operationen und die Verwaltung der Kommunikation verantwortlich. Die CPU scannt ständig die Eingänge, führt das Steuerprogramm aus und aktualisiert die Ausgänge. Dieser zyklische Prozess, bekannt als „Scan-Zyklus“, ist für die Echtzeitsteuerung von grundlegender Bedeutung.
• Eingabe-/Ausgabemodule (E/A): Diese Module dienen als Schnittstelle der SPS zur physischen Welt. Eingabemodule Empfangen Sie Signale von Sensoren, Drucktasten und Schaltern und wandeln Sie diese realen Signale in digitale Daten um, die die CPU verstehen kann. Ausgabemodule Machen Sie das Gegenteil und wandeln Sie digitale Signale von der CPU in Steuersignale um, die Geräte wie Motoren, Magnetspulen, Lichter und Ventile betreiben. Die Flexibilität der E/A-Module ermöglicht die individuelle Anpassung einer SPS an bestimmte Anwendungen.
• Stromversorgung: Versorgt die CPU und die E/A-Module mit der erforderlichen Gleichstromversorgung. Es ist robust und stabil konzipiert und gewährleistet einen kontinuierlichen Betrieb auch in Umgebungen mit elektrischem Rauschen oder Spannungsschwankungen.
• Programmierterminal: Ein Computer oder Handheld-Gerät, das von einem Ingenieur oder Techniker zum Erstellen, Ändern und Überwachen des Steuerungsprogramms der SPS verwendet wird. Moderne SPS werden typischerweise mit standardisierten Sprachen programmiert, die durch die Norm IEC 61131-3 definiert sind Kontaktplan (LD) am häufigsten sein.

So funktioniert eine SPS: Der Scan-Zyklus

Der Betrieb einer SPS wird durch ihren kontinuierlichen Scan-Zyklus bestimmt, der typischerweise die folgenden Schritte durchführt:

1. Eingabescan: Die SPS liest den Status aller an ihren Eingangsmodulen angeschlossenen Eingabegeräte. Im Wesentlichen wird eine „Momentaufnahme“ des aktuellen Zustands der physischen Welt erstellt.
2. Programmdurchführung: Die SPS führt das vom Benutzer geschriebene Steuerprogramm oder die Logik aus. Es verarbeitet die Anweisungen von oben nach unten und von links nach rechts und verwendet dabei die Eingabedaten aus dem vorherigen Schritt, um die erforderlichen Ausgabezustände zu bestimmen.
3. Ausgabescan: Basierend auf den Ergebnissen der Programmausführung aktualisiert die SPS den Status ihrer Ausgangsmodule. Diese Aktion sendet Steuersignale an die angeschlossenen Ausgabegeräte und veranlasst diese, diese ein- oder auszuschalten, zu starten oder zu stoppen usw.
4. Hauswirtschaft: Die SPS führt interne Diagnose- und Kommunikationsaufgaben durch und bereitet sich auf den nächsten Scan-Zyklus vor.

Dieser schnelle und kontinuierliche Zyklus, der oft in Millisekunden abgeschlossen wird, stellt sicher, dass die SPS nahezu augenblicklich auf Änderungen in der industriellen Umgebung reagieren kann, was sie ideal für Prozesse macht, die eine präzise und zeitnahe Steuerung erfordern.

Warum eine SPS wählen? Hauptvorteile

Die weit verbreitete Einführung von SPS ist auf ihre zahlreichen Vorteile gegenüber herkömmlichen relaisbasierten Steuerungssystemen zurückzuführen:

• Zuverlässigkeit und Haltbarkeit: SPS sind so konstruiert, dass sie extremen Temperaturen, Vibrationen, Staub und elektrischen Störungen standhalten. Aufgrund ihres Solid-State-Designs verfügen sie über keine beweglichen Teile, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines mechanischen Versagens erheblich verringert wird.
• Flexibilität und einfache Modifizierung: Die Logik einer SPS ist in Software gespeichert. Wenn eine Änderung im Steuerungsprozess erforderlich ist, ändert ein Techniker einfach das Programm am Computer, anstatt eine komplexe Relaistafel physisch neu zu verkabeln. Das spart enorm Zeit und Aufwand.
• Fehlerbehebung und Diagnose: SPS bieten leistungsstarke Diagnosetools. Statusanzeigen an I/O-Modulen und softwarebasierte Überwachung ermöglichen es Technikern, Fehler schnell zu identifizieren und zu lokalisieren und so Ausfallzeiten zu minimieren.
• Skalierbarkeit: SPS können durch einfaches Hinzufügen oder Entfernen von I/O-Modulen vergrößert oder verkleinert werden, sodass sie einfache Maschinen oder ganze komplexe Produktionslinien steuern können.
• Erweiterte Funktionalität: Moderne SPS sind weit mehr als nur Logiklöser. Sie bieten erweiterte Funktionen wie Datenprotokollierung, Kommunikationsnetzwerke (z. B. Ethernet/IP, Profibus), Bewegungssteuerung und Integration mit HMI- (Human-Machine Interface) und SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition).

Die Speicherprogrammierbare Steuerung ist mehr als nur ein Stück Hardware; Es ist der Grundstein der modernen industriellen Automatisierung. Die Kombination aus robustem Design, präziser Steuerung und softwarebasierter Flexibilität hat es Unternehmen ermöglicht, ein beispielloses Maß an Effizienz, Sicherheit und Produktivität zu erreichen. Da die Industrie weiterhin auf intelligente Fertigung und das industrielle Internet der Dinge (IIoT) setzt, wird die Rolle der SPS immer stärker integriert und wichtiger.