Wie funktioniert eine SPS-Steuerung?

Moderne Produktionslinien erfordern Präzision im Millisekundenbereich bei der Koordination von Hunderten von Sensoren und Antrieben. Ein Schlüsselelement, das diese Prozesse steuert, ist die programmierbare logische Steuerung, umgangssprachlich PLC genannt. Im Folgenden zeigen wir, wie eine PLC funktioniert und wie ihr Zyklus aussieht.

Was ist ein PLC-Steuergerät und welche Rolle spielt es in einer Fabrik?

Die programmierbare logische Steuerung (weltweit bekannt als programmable logic controller) ist ein spezialisierter Industriecomputer, der für den Einsatz unter rauen Bedingungen wie hohen Temperaturen, Staub oder elektromagnetischen Störungen ausgelegt ist. Dieses Gerät überwacht ständig die Zustände der Eingabegeräte und trifft dann auf Grundlage des gespeicherten Programms Entscheidungen und erzeugt Steuersignale für die Stellglieder. In der Industrieautomation SPS-Steuerung und wozu es dient, definiert direkt die Widerstandsfähigkeit der Hardware und die Fähigkeit zum Dauerbetrieb.

Im Gegensatz zu Standard-IT-Systemen zeichnen sich PLC-Steuerungen durch einen strengen zeitlichen Determinismus aus, was eine garantierte und wiederholbare Reaktionszeit auf ein Ereignis bedeutet. Diese Geräte steuern Produktionslinien, Verpackungsmaschinen und sogar ganze interne Fördersysteme. Einen vollständigen Vergleich dazu, wie sich das Verhältnis von PLC-Steuerungen und Industriecomputern darstellt, beschreiben wir in einer eigenen Ausarbeitung.

Wie ist der Arbeitszyklus eines PLC-Steuergeräts?

Eine PLC-Steuerung arbeitet nach dem Prinzip der kontinuierlichen, zyklischen Ausführung einer festgelegten Aufgabenfolge, die sich in einer Endlosschleife wiederholt. Ein vollständiger Arbeitszyklus der PLC, manchmal als Scan bezeichnet, dauert in der Regel von 1 bis zu mehreren Dutzend Millisekunden, abhängig von der Komplexität des Algorithmus und der Leistungsfähigkeit der CPU. Jeder Arbeitszyklus der Steuerung besteht aus vier getrennten, aufeinanderfolgenden Phasen, die die logische Konsistenz der Maschinensteuerung gewährleisten.

Phase 1: Auslesen der Eingänge (Scannen der Eingänge)

Während der ersten Phase des Zyklus fragt die Zentraleinheit die physischen Eingangsmodule ab und speichert deren Zustände in einem speziellen Bereich des RAM, der als Eingangsabbild bezeichnet wird. Auf diese Weise entsteht eine Momentaufnahme des Maschinenzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt, auf der die gesamte weitere logische Verarbeitung basiert. Etwaige Änderungen der Signale an den digitalen Eingängen, die während der Ausführung der nachfolgenden Schritte auftreten, werden bis zum Beginn des nächsten Zyklus nicht berücksichtigt, was das Risiko logischer Instabilität eliminiert.

Phase 2: Ausführung des logischen Programms

In dieser Phase verarbeitet der Prozessor die Programmanweisungen Schritt für Schritt, wobei er die im Eingangsabbildspeicher eingefrorenen Daten verwendet. Der Steuerungsalgorithmus analysiert die gespeicherten logischen Zustände der Sensoren und berechnet auf deren Grundlage neue Werte, die den Ausgängen zugewiesen werden sollen. In diesem Stadium wird das konkrete Regelungssystem (Automatik) oder eine logische Sequenz ausgeführt, und die Berechnungsergebnisse werden laufend in das Ausgangsabbild gespeichert.

Phase 3: Aktualisierung der Ausgänge (Scannen der Ausgänge)

Die Phase der Ausgangsaktualisierung besteht im physischen Überschreiben der logischen Zustände aus dem Ausgangsabbildspeicher auf die realen Klemmen der Steuerung. Das Ausgangssignal gelangt direkt an die Aktormodule, was eine sofortige Reaktion der angeschlossenen Geräte auslöst, wie z. B. Spulen von Magnetventilen, Motorschütze oder Relais. Erst in diesem Moment wird der physische Produktionsprozess aufgrund der getroffenen logischen Entscheidungen modifiziert.

Phase 4: Diagnostische Aufgaben und Kommunikation

In der letzten Phase des Zyklus führt die Steuerung interne Testprozeduren durch und bearbeitet Kommunikationsanfragen. Das Betriebssystem des Geräts prüft die Speicherkonsistenz, den Zustand der Stromversorgung sowie die korrekte Funktion der einzelnen Erweiterungsmodule. Parallel dazu tauscht die PLC-Steuerung Datenpakete mit übergeordneten Systemen, HMI-Bedienpanels sowie anderen Geräten aus, die im industriellen Netzwerk arbeiten.

Die Rolle der Hardwarekomponenten im Steuerungsprozess

Die physische Bauweise eines PLC-Steuergeräts bestimmt, wie effizient jeder Arbeitszyklus abläuft und auf welche Weise das Gerät mit der Umgebung kommuniziert. Alle Hardwarekomponenten, vom Netzteil bis zu den Kommunikationsschnittstellen, arbeiten eng zusammen, um physikalische Vorgänge in der Fabrik in mathematisch-logische Operationen umzuwandeln. Eine detaillierte Einteilung der Geräte nach Konstruktion und den Arten von PLC-Steuerungen besprechen wir separat im Beitrag „Woraus besteht ein PLC-Steuergerät??

Prozessor (CPU) und Speicher als Koordinatoren des Zyklus

Die Zentraleinheit (CPU) steuert den gesamten Prozess, taktet und synchronisiert die aufeinanderfolgenden Phasen des Arbeitszyklus. Die CPU liest Programmanweisungen aus dem ROM/Flash-Speicher, und die aktuellen Prozessdaten sowie die Ein-/Ausgangsabbildtabellen speichert sie im schnellen RAM. Gerade die Leistungsfähigkeit des Prozessors beeinflusst direkt die Dauer eines einzelnen Scanzyklus, was bei schnellen industriellen Prozessen von entscheidender Bedeutung ist.

Ein-/Ausgangsmodule und Signalwandler

Eingangs- und Ausgangsmodule bilden eine physische Brücke zwischen der Prozessorlogik und den Geräten an der Anlage. Ein analoges Signal, das zum Beispiel von einem Temperatur- oder Drucksensor stammt, wird von einem Analog-Digital-Wandler in eine digitale Form umgewandelt, die der Prozessor verarbeiten kann. Die Ausgangsmodule wandeln hingegen digitale Befehle von der CPU in Steuersignale um und verwenden dabei eine galvanische Trennung, die die empfindlichen elektronischen Schaltungen der Steuerung vor Überspannungen schützt.

Kommunikationsschnittstellen bei der Übertragung von Prozessdaten

Moderne PLC-Steuerungen verfügen über integrierte Kommunikationsanschlüsse und -module, die ihnen den Datenaustausch mit Geschwindigkeiten ermöglichen, die in Megabit pro Sekunde gemessen werden. Protokolle wie Profinet, Modbus oder die klassische RS-232-Schnittstelle dienen zur Übertragung der Betriebsparameter von Maschinen an Visualisierungssysteme und übergeordnete Steuerungen. Eine stabile Kommunikation ermöglicht die Integration der Steuerung mit dezentralen Ein-/Ausgangsinseln sowie mit anderen Steuerungen innerhalb eines Werksnetzes.

Wie beeinflusst die Art der Programmierung das Verhalten des Steuergeräts?

Die Art und Weise, wie ein Ingenieur die Steuerung programmiert, hat direkte Auswirkungen auf die Dauer des Arbeitszyklus sowie auf die Auslastung der Zentraleinheit. Die Wahl der geeigneten Methode zur Darstellung der Logik – von grafischen, wie dem Ladder-Diagramm (LD) oder dem sequentiellen Funktionsplan (SFC/Sequential Function Chart), bis hin zu textuellen, wie dem strukturierten Text (ST) – definiert die Struktur des resultierenden Codes.

Programmierung einer speicherprogrammierbaren Steuerung erfolgt unter Verwendung dedizierter Engineering-Umgebungen, in denen der Compiler die vom Menschen erstellte Logik in Maschinenbefehle übersetzt. Ein optimal geschriebenes Programm verkürzt die Scanzeit, was die Zuverlässigkeit und die Reaktionsdynamik des gesamten Automatisierungssystems direkt erhöht. Ein Programmierstandard oder, falls es ihn nicht gibt, wird er vom Ingenieur definiert Welche SPS-Programmiersprache? Wird verwendet, um Code für eine Maschine zu schreiben. Es besteht die Möglichkeit, dass ein Teil des Codes in einer Programmiersprache geschrieben ist, ein anderer Teil hingegen in einer anderen. 

PLC-Steuerung in einer Fabrikumgebung: Diskretes System vs kontinuierliches Regelsystem

Im industriellen Einsatz führen Steuerungen zwei grundlegende Arten von Steueraufgaben aus, die sich durch die Art der verarbeiteten Signale unterscheiden. Die erste davon ist ein diskretes System, in dem die Steuerung auf binären Zuständen (ein/aus, z. B. Erkennung des Vorhandenseins eines Werkstücks durch eine Lichtschranke und das Anhalten des Förderers) basiert.

Die zweite Variante ist ein Regelungssystem (Automatisierung) kontinuierlicher Art, bei dem die Steuerung einen fortgeschrittenen Algorithmus (z. B. eine PID-Regelung) realisiert, indem sie ständig digitale und analoge Signale ausliest, um ein Regelventil präzise zu positionieren oder die vorgegebene Temperatur im Ofen zu halten. Einfache Steuerungen finden auch in weniger anspruchsvollen Anwendungen Verwendung, ein gutes Beispiel ist ein Beispiel zur Steuerung von Ampeln.

Integration der Objektebene mit der übergeordneten Ebene. Zusammenarbeit von PLC mit SCADA-Systemen

Die Arbeit von PLC-Steuerungen auf der untersten Ebene der Automatisierungspyramide steht in enger Verbindung mit übergeordneten Überwachungs- und Visualisierungssystemen. Das Gerät erfasst und aggregiert in jedem Arbeitszyklus die wichtigsten Prozessparameter, die es anschließend netzwerkseitig dem SCADA-System zur Verfügung stellt. Dadurch haben Operatoren und das Management einen ständigen Live-Einblick in die Leistung der Produktionslinien, in Störfälle sowie in Statistiken zur Maschinenleistung in Echtzeit. Die Analyse der Kosten für die Implementierung von SCADA- und Automatisierungssystemen in einem Produktionsbetrieb wurde in einem separaten Artikel detailliert dargestellt.