Aufbau einer SPS

Prinzipieller Aufbau

Speicherprogrammierbare Steuerungen werden heutzutage in Serie gefertigt und sind nicht für eine bestimmte Aufgabe konzipiert. Der Maschinenhersteller (Konstrukteur) sucht für seine Aufgabenstellung die geeignete SPS und, falls notwendig, die geeigneten Baugruppen aus.

Überhaupt unterscheiden sich die verschiedenen SPS-Steuerungen hauptsächlich durch die Anzahl der maximal möglichen Ein- und Ausgänge, der Anzahl von Zeiten, Zähler und Merker und der Bearbeitungsgeschwindigkeit. Natürlich gibt es noch weitere Kriterien für die Auswahl der „richtigen“ SPS, doch dies ist abhängig von den umzusetzenden Funktionen und natürlich auch eine Kostenfrage.

Für eine kleinere Maschine oder Steuerungsaufgabe reicht möglicherweise eine kompakt aufgebaute SPS, die mit einer fest vorgegebener Anzahl von Ein- und Ausgängen, Zeiten, Zähler, Merker und gegebenenfalls Sonderfunktionen ausgestattet ist.

Für größere Steuerungsaufgaben wird die SPS aus einzelnen Baugruppen in Modulbauweise individuell für den gewünschten Anwendungsfall zusammengestellt.

Eine SPS besteht im Wesentlichen aus der Zentralbaugruppe mit Prozessor (auch CPU = Central Processing Unit genannt), Programmspeicher und Bussystem (= System zum Datentranfer über einen gemeinsamen Übertragungsweg), sowie den Ein- und Ausgabebaugruppen und einer Stromversorgung.

Aufbauprinzip einer SPS
Aufbauprinzip einer SPS

Für größere Steuerungsaufgaben wird die SPS aus einzelnen Baugruppen in Modulbauweise individuell für den gewünschten Anwendungsfall zusammengestellt.

Eine SPS besteht im Wesentlichen aus der Zentralbaugruppe mit Prozessor (auch CPU = Central Processing Unit genannt), Programmspeicher und Bussystem (= System zum Datentranfer über einen gemeinsamen Übertragungsweg), sowie den Ein- und Ausgabebaugruppen und einer Stromversorgung.

Heutzutage sind die meisten SPS-Steuerungen bzw. Baugruppen plusschaltend (PNP). Der Pluspol der 24V Gleichspannungsversorgung wird über die Signalgeber auf die Eingänge geschaltet. Die +24V Versorung für die Ausgänge erfolgt entweder direkt oder geschaltet (z.B. Not-Aus-geschaltet) an der Ausgabebaugruppe und wird SPS-gesteuert auf die Stellglieder oder Leuchtmelder ausgegeben. Der Minuspol (0V) liegt direkt an den Verbrauchern an und wird nicht geschaltet.

Funktionsprinzip

Prinzipielle Funktionsweise einer SPS
Prinzipielle Funktionsweise einer SPS

Das Anwendungsprogramm (SPS-Programm) wird in Form einer Liste mit Anweisungen im Programmspeicher der SPS gespeichert. Die Signalgeber werden auf der Eingabebaugruppe verdrahtet. Innerhalb der CPU bearbeitet der Prozessor das im Speicher stehende Programm und fragt ab, ob die einzelnen Eingänge den Signalzustand „0“ oder „1“ haben, also ob sie geschaltet oder nicht geschaltet sind.
Abhängig von diesen Eingangszuständen und von dem im Speicher stehenden SPS-Programm weist der Prozessor die Ausgabebaugruppe an, die entsprechenden Ausgänge zu schalten. Die an der Ausgabebaugruppe angeschlossenen Stellglieder oder Leuchtmelder werden jetzt ein- oder ausgeschaltet.
Das SPS-Programm bildet innerhalb der CPU einen Befehlsstapel (Stack). Ein Adressenzähler fragt diesen Befehlsstapel Anweisung für Anweisung nacheinander (seriell) ab und bewirkt die Übertragung der programmabhängigen Informationen zum Anweisungsregister.
Ein Register ist nichts anderes als ein Speicherbereich innerhalb der CPU.

Das Steuerwerk erhält seine Anweisungen vom Anweisungsregister. Während das Steuerwerk die aktuelle Anweisung bearbeitet, schiebt der Adressenzähler die nächste Anweisung in das Anweisungsregister. Der Status der Eingänge werden in das Prozessabbild der Eingänge (PAE) übertragen. Es folgt die interne Verknüpfung mit Merkern, Zeiten oder Zählern und das Verknüpfungsergebnis (VKE) wird in das Prozessabbild der Ausgänge (PAA) übertragen.

Das Steuerwerk erhält seine Anweisungen vom Anweisungsregister. Während das Steuerwerk die aktuelle Anweisung bearbeitet, schiebt der Adressenzähler die nächste Anweisung in das Anweisungsregister. Der Status der Eingänge werden in das Prozessabbild der Eingänge (PAE) übertragen. Es folgt die interne Verknüpfung mit Merkern, Zeiten oder Zählern und das Verknüpfungsergebnis (VKE) wird in das Prozessabbild der Ausgänge (PAA) übertragen.

Wird das Bausteinende (BE) des SPS-Programmes erkannt, wird der jeweilige Status aus dem Prozessabbild der Ausgänge (PAA) an die Ausgänge übertragen. Der Peripheriebus dient hier zum Datenaustausch zwischen der Zentralbaugruppe (CPU) und den einzelnen Baugruppen.
Nachdem der Status des PAA an die Ausgänge übertragen wurde beginnt der Adressenzähler wieder von vorne. Das Programm wird zyklisch immer wieder von der ersten Anweisung bis hin zur letzten Anweisung, dem Bausteinende (BE) durchlaufen. Die benötigte Zeit für einen Durchlauf ist die Zykluszeit.

Bussystem

Der Signalaustausch zwischen der SPS-CPU und den Ein- und Ausgabebaugruppen erfolgt über ein Bussystem (Prozessbussystem). Dieses Bussystem ist quasi eine elektrische Sammelleitung zur Übertragung von verschiedenen Signalen.

Das Bussystem
  • Der Adressbus spricht die Adressen der einzelnen Baugruppen an.
  • Der Datenbus überträgt z.B. Daten von Eingabe- nach Ausgabebaugruppen.
  • Der Steuerbus überwacht die Signale zur Steuerung und den Funktionsablauf innerhalb der SPS.

Das Bussystem überträgt nur Signale! Die eigentliche Spannungsversorgung für die Eingänge und Schaltspannung für die Ausgänge, die ja letztendlich das Ventil oder das Schütz schalten, erfolgt über eine separate Stromversorgung.

Stromversorgung

Sitop Netzteil PSU8200
Sitop PSU8200 [1]
Phoenix Contact Quint Power Netzteil
Phoenix Contact [2]
Murrelektronik Netzgerät 85353
Murrelektronik [3]

Eine Stromversorgungsbaugruppe, auch Netzteil genannt, erzeugt aus der Netzspannung die erforderliche Spannung für die elektronischen Baugruppen der SPS.
Aus einer AC Wechselspannung (Alternating Current ) wird eine DC Gleichspannung (Direct Current) erzeugt.
Die Höhe dieser Gleichspannung beträgt in der Regel 24 Volt. Signalgeber, Stellgeräte oder Leuchtmelder können ebenfalls mit diesem oder auch mit einem separaten Netzteil mit Spannung versorgt werden. Netzteile gibt es von zig Herstellern mit unterschiedlicher Leistung oder Genauigkeit.

Speicher

Speicher sind elektrische (Halbleiter-) Bauelemente, in denen Informationen hinterlegt werden. Es ist in etwa so etwas wie unser Erinnerungsvermögen. Binäre Signale werden dort abgelegt (gespeichert) und bei Bedarf von dort abgerufen. Eine einzelne Speicherzelle entspricht einem Binärsignal und kann jeweils nur den Signalzustand „0“ oder „1“ annehmen.


EPROM

Simatic S5 EPROM-Modul
Simatic S5 EPROM-Modul

EPROM

Ein EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) ist ein lösch- und programmierbarer Nur-Lesespeicher, der die gespeicherten Werte auch bei Spannungsausfall nicht verliert. Nur mit UV-Licht kann der Speicher­inhalt wieder gelöscht werden.


RAM

Simatic S5 RAM-Modul
Simatic S5 RAM-Modul

RAM

Das RAM (Random-Access Memory) ist ein Schreib-/Lesespeicher, der die gespeicherten Werte im Gegensatz zum EPROM bei Spannungsausfall verliert. Um Datenverlust zu vermeiden muss ein RAM gepuffert werden, z.B. mit einer Batterie .


Flash-EPROM

Simatic S7 Flash-EPROM
Simatic S7 Flash-EPROM

Flash-EPROM

Ein Flash-EPROM ist ebenfalls ein lösch- und programmierbarer Nur-Lesespeicher wie das EPROM. Der große Unterschied besteht in der Löschmethode. Das Flash-EPROM kann nur elektrisch mit einer Spannung gelöscht (geflasht) werden.


MMC-Card

Simatic S7 Memory Card
Simatic S7 Memory Card  [4]

MMC-Card

Die Micro Memory Card ist im Prinzip eine SD (Secure Digital)-Karte. Sie ist jedoch Siemens-spezifisch formatiert und kann nicht von einem „normalen“ PC gelesen werden. Mit z.B. FAT32 formatiert ist die Karte nicht für S7 einsetzbar.

Programmbearbeitung

Lineare Programmbearbeitung
Lineare Programmbearbeitung

Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten der Programmverarbeitung, die abhängig von der verwendenten SPS bzw. CPU und der Art der Programmierung sind.
Die Bearbeitung jeder einzelnen Anweisung benötigt eine bestimmte Zeit, die im Mikrobereich einer Sekunde liegt.

Lineare Programmbearbeitung

Bei einer linearen Programmierung werden die Anweisungen von der SPS in der Reihenfolge abgearbeitet, in der sie auch im Programmspeicher hinterlegt sind. Ist das Programmende (BE) erreicht, beginnt die Programmbearbeitung wieder von vorne.
Solch eine lineare Programmbearbeitung reicht in der Regel nur für einfache, relativ nicht so komplizierte und umfangreiche Anlagen aus und kann in einem einzigen Baustein, dem OB1 realisiert werden.



Strukturierte Programmbearbeitung

Bei umfangreichen Steuerungsaufgaben wird das Programm in relativ kleine und dadurch besser überschaubare Bausteine gepackt. Der Vorteil dieser Art der Programmierung ist ganz klar die Möglichkeit zum Testen des einzelnen Bausteins, da er nur eine Baugruppe oder einzelne Funktion der gesamten Anlage umfasst.
Die Programmbausteine werden über einen Programmbefehl aus dem jeweiligen Baustein aufgerufen. Wird das Bausteinende (BE) in dem aufgerufenen Baustein erreicht, wird das Programm im aufrufenden Baustein direkt nach der Aufrufanweisung fortgesetzt.
Der Aufruf eines Bausteins erfolgt mit den Programmbefehlen Call xx, UC xx oder CC xx.
Die Unterschiede der Befehle Call und UC (unconditioned Call = bedingungsloser Aufruf) oder CC (Conditioned Call = bedingter Aufruf) werden in einem anderen Kapitel behandelt.

Strukturierte Programmbearbeitung
Strukturierte Programmbearbeitung

Quellennachweis

  • [1] Bild P_KT01_XX_01566P © Siemens AG 2018, Alle Rechte vorbehalten
  • [2] Bild 29861_1000_int_04 Phoenix Contact GmbH
  • [3] Bild 85353 Murrelektronik GmbH
  • [4] Bild P_ST70_XX_05785P © Siemens AG 2018, Alle Rechte vorbehalten