Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS; englisch: programmable logic controller, PLC) ist ein Gerät, das zur Steuerung oder Regelung einer Maschine oder Anlage eingesetzt und auf digitaler Basis programmiert wird. Sie löst die „festverdrahtete“ verbindungsprogrammierte Steuerung in den meisten Bereichen ab.

Geschichte

Richard E. Morley (Modicon) und Odo J. Struger (Allen-Bradley) kann man als die Väter der SPS bezeichnen. Morley stellte 1969 eine Modicon 084 als solid-state sequential logic solver (Halbleiter-basierendes sequentielles Logiksystem) vor.

Struger war unter anderem maßgeblich an der Formulierung der zugehörigen Instituts-Standards in den USA beteiligt.

Morley wehrte sich gegen die Bezeichnung „Computer“. Er sah hierdurch die Akzeptanz bei den bisher tätigen Steuerungsfachleuten gefährdet. Daher wurde das Ladder Diagram entwickelt, das einem Stromlaufplan ähnelt. Danach gab es eine Eins-zu-eins-Umsetzung von Öffnern, Schließern, Parallel- und Serienverschaltung auf das neue Konzept.

Funktion

Eine speicherprogrammierbare Steuerung hat im einfachsten Fall Eingänge, Ausgänge, ein Betriebssystem (Firmware) und eine Schnittstelle, über die das Anwenderprogramm geladen werden kann. Das Anwenderprogramm legt fest, wie die Ausgänge in Abhängigkeit von den Eingängen geschaltet werden sollen.

Das Betriebssystem stellt sicher, dass dem Anwenderprogramm immer der aktuelle Zustand der Geber zur Verfügung steht. Anhand dieser Informationen kann das Anwenderprogramm die Ausgänge so schalten, dass die Maschine oder die Anlage in der gewünschten Weise funktioniert.

Die Anbindung der SPS an die Maschine bzw. Anlage erfolgt mit Sensoren und Aktoren. Hinzu kommen Statusanzeigen. Die Sensoren sind an die Eingänge der SPS geschaltet und vermitteln der SPS das Geschehen in der Maschine oder Anlage. Beispiele für Sensoren sind z. B. Taster, Lichtschranken, Inkrementalgeber, Endschalter, oder auch Temperaturfühler, Füllstandssensoren etc. Die Aktoren sind an den Ausgängen der SPS angeschlossen und bieten die Möglichkeit, die Maschine oder Anlage zu steuern. Beispiele für Aktoren sind Schütze zum Einschalten von Elektromotoren, elektrische Ventile für Hydraulik oder Druckluft, aber auch Module für Antriebssteuerungen (Motion Control, Drehzahlsteuerung mit kontrollierter Beschleunigung oder Verzögerung, Schrittmotorsteuerungen).

Eine SPS kann in sehr verschiedener Weise realisiert sein, z. B. als Einzelgerät („Baugruppe“), als PC-Einsteckkarte, als Softwareemulation etc. Weit verbreitet sind modulare Lösungen, bei denen die SPS aus einzelnen Steckmodulen (ebenfalls als Baugruppen bezeichnet) zusammengesetzt wird. Das Thema Antriebssteuerung (Motion Control, Drehzahlsteuerung mit kontrollierter Beschleunigung oder Verzögerung) wird zunehmend mit der SPS verbunden.

Einzelgeräte bieten Vorteile bei der Miniaturisierung und sind für kleinere Automatisierungsaufgaben preiswerter. Ein modularer Aufbau bietet die typischen Vorteile eines Baukastensystems: Hohe Flexibilität, Erweiterbarkeit, in größeren Anlagen Kostenersparnis durch die Verwendung vieler gleicher Module, die in großen Stückzahlen hergestellt werden können.

Auf vielen Gebieten hat die SPS die zuvor festverdrahtete Anordnung von Relais abgelöst (Verbindungsprogrammierte Steuerung). Preiswerte Baugruppen, Standardisierung der Steuerungsaufgabe und hohe Flexibilität sind kennzeichnend für das SPS-Konzept.

Derzeitige SPS-Baugruppen übernehmen neben der Kernaufgabe (Steuerung und Regelung) zunehmend auch weitere Aufgaben: Visualisierung (Gestaltung der Schnittstelle Mensch-Maschine), Alarmierung und Aufzeichnung aller Betriebsmeldungen (Data-Logging).

Ebenfalls erfolgt zunehmend die Verbindung der Sensoren und Aktoren mit der SPS über einen Feldbus und nicht mehr diskret. Hierdurch verringert sich der Verdrahtungsaufwand. Seit einiger Zeit werden auch nicht nur Sensoren und Aktoren, sondern Teile der SPS wie Eingangs- und Ausgangsbaugruppen über einen Bus und (Bus-)Interfacemodule an eine Zentralstation angebunden (dezentrale Peripherie). Die Bussysteme werden in modernen Anlagen von Netzwerken (Profinet) abgelöst oder durch diese ergänzt. Gegenüber Bussystemen sind Netzwerke (Ethernet) flexibler und schneller.

Schließlich erfolgt auch zunehmend eine Anbindung an die Verwaltungsrechner einer Firma (vertikale Integration). So stehen z. B. immer aktuelle Daten über Fertigungsstände, Lagerbestände etc. zur Verfügung („vernetzte Fabrik“).

So wird der Unterschied zwischen einer modernen SPS und einem Prozessleitsystem immer kleiner. Die weitere technische Entwicklung ist ähnlich stürmisch wie in der Computertechnik ganz allgemein.

Die verschiedenen Konzepte

Weitere Typen und Eigenschaften einer SPS

Einige Beispiele für verschiedene Baugruppen eines modularen Systems:

• Zentralbaugruppe (Sitz des Hauptprozessors)
• Anschaltungen: Baugruppen zum Anbinden eines Feldbus-Systems
• Busmodule (Schraub- oder Crimpklemmen, Alarmierung)
• Digitale Eingangskarte (meist Potentialtrennung mittels Optokoppler)
• Digitale Ausgangskarte (offener Kollektor oder Relais)
• Analoge Eingangskarte
• Analoge Ausgangskarte

Im Gegensatz dazu gibt es auch integral aufgebaute Steuerungen, d. h. SPS-Systeme, die aus einer einzigen Komplett-Einheit bestehen. Es gibt auch Mischformen.

Eigensicherer oder nicht eigensicherer Aufbau: Eigensichere Anlagen sind elektrisch so ausgelegt, dass auch im Fehlerfall kein Funke entstehen kann, der ein zündfähiges Gemisch zur Explosion bringen könnte. Ein Merkmal solcher Geräte ist die Begrenzung von Ein- und Ausgangsströmen (0 bzw. 4–20 mA). Anwendungsgebiet für eigensichere Geräte sind z. B. Chemieanlagen.

Als Soft-SPS werden Softwarepakete bezeichnet, die auf einem PC lauffähig sind. In der Praxis werden häufig industrietaugliche PC-Ausführungen gewählt, obwohl dies auch mit handelsüblichen Personal Computern möglich ist. Die Peripherieanbindung (Sensoren und Aktoren) erfolgt entweder seriell über Bussysteme oder mit inzwischen handelsüblichen Ein- und Ausgangskarten. Diese Systeme arbeiten ohne einen speziellen Bitprozessor und erreichen derzeit manchmal noch nicht die notwendige Geschwindigkeit. Sie sind daher nur für nicht-zeitkritische Anwendungen geeignet. Als Slot-SPS wird eine Einbaukarte für den PC bezeichnet. Hierauf befinden sich in der Regel ein Bitprozessor und das SPS-Betriebssystem.

Ein weiteres Konzept ist Grundlage für die hochverfügbaren und die sicherheitsgerichteten Geräte. Neben der Ausfallgefahr durch hohe Temperaturen gibt es andere Gründe für den möglichen Ausfall einer Baugruppe. Diese kann man durch den Begriff „Alterung“ zusammenfassen. Dazu gehört auch das Thema Korrosion. Abhängig von der (finanziellen) Schadenshöhe, die durch einen Stillstand der Anlage im Fehlerfall verursacht wird, kann man nun mehrere SPS-Baugruppen einsetzen. Diese arbeiten gleichzeitig an derselben Steuerungsaufgabe (miteinander synchronisiert). Dies ist ein redundantes, mehrkanaliges System. Im Konfliktfall wird eine Alarmmeldung erzeugt und die Anlage läuft weiter. So wird Zeit gewonnen, um die schadhafte Baugruppe auszutauschen. In dem (statistisch) unwahrscheinlichen Fall, dass das Schwestersystem ebenfalls ausfällt, steht die Anlage.

Sicherheitsgerichtete Geräte sind ähnlich aufgebaut. Allerdings führt hier der Konfliktfall dazu, dass die Anlage so schnell wie möglich in den „sicheren“ Zustand gebracht wird. Eine damit verbundene Schadenshöhe ist ohne Belang. Sicherheitsgerichtete Geräte werden z. T. auch als sicherheitsgerichtete speicherprogrammierbare Steuerungen bezeichnet und folglich mit SSPS abgekürzt. Diese Steuerungen werden auch Sicherheits-SPS genannt.

Die Möglichkeiten zur Erstellung des Anwenderprogramms kann man auch unterscheiden. Neben den hierfür vorhandenen Normen ergibt sich die Art und Weise der Programmdarstellung: grafisch oder (nur) als Anweisungsliste. Grafisch unterstützte Darstellungen können einem Stromlaufplan (Kontaktplan) oder einem Logikplan (Funktionsplan) ähneln. Der Kontaktplan wird von den meisten Elektrikern verstanden, auch wenn diese mit Computern oder mit SPS-Geräten noch nicht vertraut sind. Dies hat die Einführung der SPS in die technische Welt erheblich beschleunigt.

Eine Kaufentscheidung berücksichtigt häufig die Wiederverwendbarkeit bereits bewährter Anwendersoftware. Neue Konzepte verlangen häufig auch ein zusätzliches Training beim Fachpersonal.

Grenzen der Einsatzfähigkeit

Seit die SPS auch analoge Signale (über DA/AD-Umsetzer) verarbeiten kann, hat sie auch das Gebiet der Regelungstechnik erobert. Für nahezu jede Regelungsaufgabe gibt es standardisierte Lösungen (z. B. als Funktionsbausteine). Insofern entspricht die Bezeichnung „Steuerung“ nicht mehr den strengen Definitionen von Steuerungen und Regelungen (engl. open and closed loop control).

Eine technische Grenze sind die explosionsgefährdeten Bereiche. Hier arbeitet man entweder mit pneumatischen Signalen oder mit eigensicheren Stromkreisen. Man kann eine handelsübliche SPS den Vorschriften entsprechend druckfest kapseln. Natürlich ist sie dann während des Betriebs nicht zugänglich. Ferner muss eine Lösung für die Anbindung der Sensoren und Aktoren gefunden werden (z. B. druckfeste Schottverschraubungen). Generell kann man sagen: In explosionsgefährdeten Bereichen wird eine SPS selten eingesetzt. Inzwischen gibt es Ein- und Ausgangskarten, an die eigensichere Stromkreise angeschlossen werden können. Ferner gibt es eigensichere Datenbusse. Die SPS selbst befindet sich dann in einem Schaltraum außerhalb des gefährdeten Bereichs.

Wenig sinnvoll ist auch der Einsatz einer SPS bei Steuerungsaufgaben mit sehr wenigen Ein- und Ausgängen. Beispiel: Stern-Dreieckanlauf eines Motors. Hier gibt es spezielle (auch elektronische) Bausteine.

Weiterhin gibt es Maschinen, die sehr zeitkritische Aufgaben zu bewältigen haben. Solche Maschinen haben in der Regel sehr seltene und hoch spezialisierte Sensoren. Beispiel: die Erkennung eines Fadenbruchs in einer Hochleistungswebmaschine. Der Einsatz einer SPS würde hier teure Feldversuche voraussetzen.

Die SPS hat enorme Vorteile bezogen auf die Flexibilität. Genau deswegen ist sie für „manipulationssichere“ Steuerungen wenig geeignet. Dies hat nichts mit Sicherheit im Sinne von Gefahrenvermeidung für Mensch und Umwelt zu tun, wohl aber mit dem Fernhalten von nicht autorisierten Personen. Beispiele: Erkennung der Zugangsberechtigung, Automaten mit Geldverkehr.

Im Juli 2010 wurde der erste Computerwurm entdeckt (mit dem Namen Stuxnet), der sich speziell gegen Industriesysteme richtet und diese nicht nur ausspionieren, sondern auch deren Funktionsweise manipulieren kann.

Aufbau und Programmierung

Die klassische SPS hat eine Prozessor-Architektur, die im Wesentlichen für die Bit-, Byte-, Wort- oder Doppelwort-Verknüpfung optimiert ist. Siemens-Steuerungen werden beispielsweise Byte-weise adressiert, Omron-Steuerungen adressieren dagegen 16 Bit. Die unterschiedliche Adressierung ist dann besonders zu beachten, wenn unterschiedliche Steuerungen über Feldbus, z. B. Profibus, miteinander verknüpft werden. Unter Umständen müssen Oktetts innerhalb eines Worts paarweise getauscht werden, um die richtige Information abzubilden (siehe Byte-Reihenfolge). Die Anpassung der Bit-, Byte- bzw. Wort-Verarbeitung an die zu steuernde Maschine oder Anlage erfolgt durch ein Programm, das den gewünschten Ablauf festlegt und im Speicher abgelegt wird.

Üblicherweise wird bei der SPS auch Software zur Kommunikation des Programmiergerätes mit der Steuerung mitgeliefert. Die Programmierung geschieht über dieses Programmiergerät, zum Beispiel eine Anwendung unter Microsoft Windows oder Linux auf einem PC oder ein zugeschnittenes System. Die hier bereitgestellte, so genannte „Konfiguration“ wird beim Programmieren auf die Steuerung geladen. Sie bleibt dort solange im Speicher, bis sie vom Benutzer gelöscht oder überschrieben wird.

Moderne SPSen sind klassische Mikrocontroller mit eigener CPU und einer Basis-Software, die ebenfalls die wortweise Verknüpfung von E/A-Signalen erlaubt. Die Basis-Software besteht aus einem Echtzeitbetriebssystem und SPS-spezifischen „Bausteinen“, die SPS-Funktionen wie Zeitfunktionen und Schnittstellen zu Erweiterungsboards realisieren. Neuere Systeme gehen hier noch einen Schritt weiter. Diese vereinen die Annehmlichkeiten und Vorzüge von SPS, IPC zu PAC-Systemen (engl. programmable automation controller) und ermöglichen durch ihre einfache Programmierweise neben erhöhtem Anwenderkomfort eine bessere und schnellere Anbindung an ihrem Einsatzort.

In den letzten Jahren wurden auf Druck der Anwender die Steuerungen in Hinsicht auf minimalen Platzbedarf im Schaltschrank optimiert. Für diese miniaturisierten Steuerungskomponenten wird von manchen Firmen der Begriff der Busklemme verwendet, wobei es für diesen Begriff keine eindeutige Definition gibt. Eine Busklemme ist eine intelligente Reihenklemme, welche die unterschiedlichsten analogen und digitalen Eingangs- und Ausgangssignale verarbeiten kann. Sie wird so einfach und kompakt wie eine konventionelle Reihenklemme untergebracht und verdrahtet, verfügt aber, im Gegensatz zur Reihenklemme, über eine intelligente Elektronik.

Der Kopf dieser elektronischen Reihenklemme ist der Buskoppler. Er verfügt in der Regel über eine Schnittstelle für einen Feldbus. Buskoppler mit eigener Intelligenz werden als Busklemmen-Controller bezeichnet. Sie verfügen oftmals bereits über SPS-Funktionalität.

Arbeitsweise

Wie jeder andere Computer arbeitet die SPS nach dem EVA-Prinzip, sie besitzt also einen Eingabe-, einen Verarbeitungs- und einen Ausgabeteil. Die E/A-Geräte (die an die Eingänge/Ausgänge, engl. Input/Output, angeschlossenen Geräte) sind mit der SPS verdrahtet. Das Peripherieabbild der Eingänge wird am Anfang eines Zyklus eingelesen, dann erfolgt die Verarbeitung des Programms und die Übergabe der Ausgänge in das Peripherieabbild der Ausgänge. Bei früheren Speicherprogrammierbaren Steuerungen wurde das Peripherieabbild der Eingänge auf Merker gespiegelt und diese im Programm abgefragt, weil die Abfragezeit auf Eingänge deutlich höher lag.

Die SPS arbeitet zyklisch: Sie liest die Werte aller Eingänge am Anfang eines Zyklus ein (man spricht in diesem Zusammenhang auch vom „Einlesen des Prozessabbildes“) – sollte sich ein Befehl wiederholen, dann gilt die letzte Anweisung (Dominant Setzen oder Rücksetzen) – führt dann die gespeicherten Programme (auch Bausteine oder Netzwerke genannt) aus und setzt am Ende die Ausgänge. Dann startet der Zyklus von Neuem – ein Programmende gibt es nicht. Ereignisorientierte Verarbeitung wird meistens nur durch sogenannte High-End-Steuerungen unterstützt.

Verwandte Themen

• Industrial Ethernet – Ethernetkommunikation in der Steuerungs- und Regeltechnik

Literatur

• Bliesener et al. (Festo): Speicherprogrammierbare Steuerungen, Lehrbuch Grundstufe. Springer-Verlag, Berlin 1997.
• Eaton-Schaltungsbuch (früher: Moeller-Schaltungsbuch) (Download).
• Manfred Ochs: SPS für die handwerkliche Ausbildung Grundlagen und Praxis. 4. völlig neu bearbeitete Auflage, Hüthig Verlag, Heidelberg 2001, ISBN 3-7785-2825-4.
• Matthias Seitz: Speicherprogrammierbare Steuerungen in der Industrie 4.0 - Objektorientierter System- und Programmentwurf, Motion Control, Sicherheit, Industrial IoT. 5. Auflage, Hanser-Verlag, München 2021, ISBN 978-3-446-46579-4 (mit einer SPS-Lern-und-Übungsseite).
• Günter Wellenreuter, Dieter Zastrow: Automatisieren mit SPS – Theorie und Praxis, 5., korrigierte und erweiterte Auflage, Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2011, ISBN 978-3-8348-1504-0 (Buchinfo und Download).
• Günter Wellenreuter, Dieter Zastrow: Automatisieren mit SPS – Übersichten und Übungsaufgaben. 4., überarb. und erg. Auflage, Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8348-0561-4 (Buchinfo und Download).
• Berthold Heinrich, Petra Linke, Michael Glöckler: Grundlagen Automatisierung - Sensorik, Regelung, Steuerung. Springer Fachmedien, Wiesbaden, 2015, ISBN 978-3-658-05960-6. 
• Tilo Heimbold: Einführung in die Automatisierungstechnik. Automatisierungssysteme, Komponenten, Projektierung und Planung. Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag, Leipzig; München 2015, ISBN 978-3-446-42675-7, ISBN 978-3-446-43135-5 (E-Book).
• Hans-Joachim Zander: Steuerung ereignisdiskreter Prozesse. Neuartige Methoden zur Prozessbeschreibung und zum Entwurf von Steuerungsalgorithmen. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-01381-3, ISBN 978-3-658-01382-0 (E-Book).
• Horst Völz: Speicher als Grundlage für Alles. Shaker Verlag, Düren 2019, ISBN 978-3-8440-6964-8.

Weblinks

Einzelnachweise

1. ↑ Olof Leps: Der Aufbau von Betriebs- und Steuerungsanlagen. In: Hybride Testumgebungen für Kritische Infrastrukturen. Springer Vieweg, Wiesbaden, 2018, ISBN 978-3-658-22613-8, S. 25–39, doi:10.1007/978-3-658-22614-5_3 (springer.com [abgerufen am 30. Dezember 2018]). 
2. ↑ Vgl. Meldung „Stuxnet-Wurm kann Industrieanlagen steuern“ auf heise.de.
3. 1 2 Handbuch zur Programmentwicklung. Abgerufen am 8. Oktober 2017.