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Speicherprogrammierbare Steuerungen in der Automatisierungstechnik

Bereits in der Antike begann die Menschheit, einfache Prozesse zu automatisieren. Die Philosophen des antiken Griechenland begründeten die technische Mechanik und entwickelten kleine Automaten, welche mit Wasser, Luftdruck oder im Falle des Heronsballes schon mit Dampf angetrieben wurden. Die meisten dieser Maschinen wurden jedoch nicht genutzt um Arbeit zu verrichten, meist waren es nur kleine Modelle, die eher als Spielzeug angesehen wurden.  Im Zeitalter der Renaissance begannen Wissenschaftler lebensgroße Automaten zu bauen. Leonardo da Vinci zeichnete bereits einen Roboter, welcher seine Arme bewegen und den Kopf drehen konnte. Diese Entwicklung erreichte mit dem Beginn der Industrialisierung eine neue Dimension. Heute sind automatisch ablaufende, elektronisch gesteuerte Prozesse alltäglich und es entstanden Systeme, welche der Mensch ohne die Automatisierung nie beherrschen würde.

Grundprinzip der Automatisierung

Das Ziel der Automatisierung ist die gezielte Beeinflussung dynamischer Prozesse, beispielsweise die Steuerung einer Produktionsanlage. Der prinzipielle Aufbau eines automatisierten Systems, lässt sich in 4 Bereiche einteilen, welche einen geschlossen Kreislauf bilden.

Grundprinzip der Automatisierung

Sensoren erfassen prozessbeeinflussende physikalische Größen, wie Druck oder Temperatur und bilden diese in Signale ab, welche wir weiter verarbeiten können. In den meisten Fällen nutzt man elektrische Signale.  Die aufgenommenen Informationen werden mit Hilfe eines mathematischen Algorithmus in geeignete Signale zur Ansteuerung der Aktoren umgewandelt, welche daraus physikalische Größen erzeugen, die den technischen Prozess beeinflussen.

Speicherprogrammierbare Steuerungen

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind die heute am weitesten verbreiteten Automatisierungsgeräte. Man findet sie in nahezu allen Bereichen der Industrie, in Transport-und Lagersystemen oder in der Heimautomatisierung.

Speicherprogrammierbare Steuerungen erschienen Anfang der 70er Jahre auf den Märkten. Sie wurden entwickelt um die bis dahin genutzten Relais-und Schützsteuerungen zu ersetzten. Diese waren auf Grund des hohen Platzverbrauches, sowie der umständlichen Programmierung durch Herstellen von Verbindungen, sehr unflexibel und in ihrem Leistungsumfang begrenzt.

Mit der rasanten Entwicklung der Mikroelektronik, stieg der Leistungsumfang der SPS stetig an. Moderne Speicherprogrammierbare Steuerungen verfügen über komplexe Rechen-und Regelfunktionen, Bedien-und Beobachtungsfunktionen, sowie Kommunikationsfähigkeit.

Aufbau und Funktion

Speicherprogrammierbare Steuerungen enthalten alle notwendigen Baugruppen zur Realisierung eines geschlossenen Automatisierungskreislaufes. Das Automatisierungsgerät besitzt Ein-und Ausgabebaugruppen, welche mit Sensoren, bzw. Aktoren bestückt werden können. Eine Zentraleinheit verarbeitet die Eingangssignale entsprechend des Steuerungsalgorithmus und gibt die entsprechenden Steuersignale über die Ausgangsbaugruppen an die Aktoren weiter. 

Aufbau der SPS

Die Eingangsbaugruppen enthalten einen Überspannungsschutz, eine Störimpulsfilterung, sowie eine galvanische Trennung, welche meist durch Optokoppler realisiert wird. Dadurch wird verhindert, dass Störimpulse in die Zentraleinheit gelangen. Die Ausgangsbaugruppen enthalten ebenfalls eine galvanische Trennung, einen Kurzschlussschutz, sowie einen Verstärker. An den Ein-und Ausgängen sind oft Leuchtdioden angebracht, welche den momentanen Status anzeigen.

Die Zentraleinheiten moderner speicherprogrammierbarer Steuerungen bestehen aus leistungsfähigen Mikroprozessoren, welche eine schnelle Abarbeitung von Zählfunktionen, arithmetischen Operationen, Zeitfunktionen und logischen Vergleichsoperationen ermöglichen. Die Steuerungsanweisungen werden vom Steuerwerk nacheinander bearbeitet und zyklisch wiederholt. Sobald die letzte Anweisung abgearbeitet wurde, beginnt das Steuerwerk wieder bei der ersten Anweisung. Die Zeit welche für einen vollständigen Programmdurchlauf benötigt wird, nennt man Zykluszeit. Sie liegt in der Regel im Bereich von Millisekunden.

Modularer Aufbau SPS

Programmierung

Speicherprogrammierbare Steuerungen werden mit Hilfe genormter Baustein -und Anweisungsbibliotheken in verschiedenen Darstellungsarten programmiert.

Die Kontaktplandarstellung (KOP) ähnelt einem Stromlaufplan, die einzelnen Strompfade sind dabei waagerecht untereinander anstatt senkrecht nebeneinander angeordnet.  Im Funktionsplan(FUP) werden die einzelnen Operationen durch viereckige Symbole dargestellt. Die einzelnen Funktionen lassen dich durch Funktionskennzeichen, innerhalb des Vierecks leicht unterscheiden. Die Eingänge sind links, die Ausgänge rechts angeordnet, und werden entsprechend der Aufgabenstellung verbunden. Die Anweisungsliste(AWL) stellt die geringsten Anforderungen an das Programmiergerät, ist dafür aber relativ unübersichtlich.

Programmierung SPS

Das Programm einer SPS ist eine Folge von Steuerungsanweisungen, bestehend aus dem Operationsteil und dem Operandenteil. Der Operationsteil beschreibt die Funktion und der Operandenteil mit wem diese durchzuführen ist. Bei einfachen Aufgaben ist eine lineare Programmierung möglich. Dabei schreibt man die Anweisungen Schritt für Schritt. Bei größeren Projekten ist eine strukturierte Unterteilung der Prozessschritte nötig. Auf diese Weise können einzelne Bausteine erstellt werden, welche zusammen die gewünschte Aufgabe bearbeiten. Dadurch kann die Aufgabe auf mehrere Programmierer verteilt werden. Die erstellten Bausteine können in einer Bibliothek aufbewahrt und wiederverwendet werden. Allgemeingültige Bausteine können von SPS-Herstellern erworben werden.

Modularitätsprinzip

Speicherprogrammierbare Steuerungen sind modular aufgebaut, was die anwendungsorientierte Konfigurierung ermöglicht. Je nach Aufgabe sind dadurch nur bestimmte Komponenten erforderlich. Die Minimalausstattung besteht aus dem Rahmen, welcher als Träger für die einzelnen Baugruppen dient, der Stromversorgung, der Zentralbaugruppe, sowie jeweils einer Aus-und Eingabebaugruppe.

Je nach Bedarf ist eine Auswahl an Ein- und Ausgabebaugruppen vorzunehmen, dies bezieht sich sowohl auf die Anzahl, als auch auf die Eigenschaften, hinsichtlich Signalpegel, Quellwiderständen oder anderer spezieller Anforderungen.

Für den Anschluss spezieller Peripheriegeräte können spezielle Kommunikationsbaugruppen integriert werden, wodurch beispielsweiße ein PC zur Prozessvisualisierung eingesetzt werden kann.

Die Zentralbaugruppe lässt sich anwendungsspezifisch hinsichtlich der Rechengeschwindigkeit, sowie des verfügbaren Speichers dimensionieren.