Speicherprogrammierbare Steuerung SPS *

Die SPS zählt zu den wichtigsten Komponenten vernetzter CIM Produktionssysteme. Ihre Automatisierungsgeräte und Anwendungen sind weit verbreitet und kommen vor allem beim rechnerintegrierten Betrieb von Maschinen, Vorrichtungen und Prozessen zum Einsatz. Bei der in der Elektronik üblichen Unterteilung in verbindungs- und speicherprogrammierte Steuerungen gehört die SPS in den Bereich der speicherprogrammierten Steuerungen.

Zu den verbindungsprogrammierten Steuerungen (VPS) gehören Relaissteuerung und Schützsteuerung. Eine VPS zeichnet sich durch ihre feste Verdrahtung aus, die erst dann vorgenommen werden kann, wenn feststeht welche Schaltung oder Funktion implementiert werden soll. Eine Änderung dieser Schaltungsfunktion bedingt eine Umverdrahtung der Steuerung.

Bei einer speicherprogrammierbaren Steuerung sind Aufbau des Automatisierungsgerätes und die Verdrahtung unabhängig von der spätereren Programmfunktion. Das Programm, nachdem das Automatisierungsgerät arbeiten soll, wird mit einem Programmiergerät bzw. einem PC in den Programmspeicher geschrieben. Das Programm bestimmt in welcher Reihenfolge die Eingänge gelesen und die Ausgänge ausgegeben werden sollen. Bei einer Programmänderung wird nicht die Verdrahtung, sondern nur das Programm im Programmspeicher geändert, was die SPS gegenüber der VPS auszeichnet.

Eine SPS hat folgende Leistungsmerkmale:

• Direkter Anschluß von Befehlsgeräten, Magnetventilen
• Direkter Sensoranschluß
• Verarbeitung von analogen Größen ( A/D, D/A, Temperatur, Druck)
• Vernetzungsfähigkeit (Master/Slave Prinzip, Bus-Anschluß)

Eine SPS ist im Prinzip ein Steuerungscomputer, der mit bestimmten Schnittstellen ausgerüstet ist, um ein Gerät oder eine Anlage steuern zu können.

Der Steuerungscomputer wird meist als Automatisierungsgerät (AG) bezeichnet. Er wird mit einer bestimmten Programmiersprache programmiert. Das Programm wird mit einem Programmiergerät oder mit Hilfe einer Programmiersoftware vom PC aus zur SPS übertragen.

Eine SPS besteht im wesentlichen aus:

• Zentralbaugruppe (CPU) mit Steuerwerk und Programmspeicher,
• Eingabebaugruppen,
• Ausgabebaugruppen und
• Sonderbaugruppen für spezielle Aufgaben sowie
• Den erforderlichen Signalgliedern und Stellgliedern.

Die Eingangssignale werden auf die Eingabebaugruppen geschaltet und in der CPU entsprechend dem im Speicher stehenden Steuerungsprogramm zu Ausgangssignalen verarbeitet, die auf die Ausgänge der Ausgabebaugruppen geschaltet werden. Auf diese Weise bewirkt z.B. ein gedrückter Schalter am Eingang, daß am Ausgang ein bestimmtes Ventil angesteuert wird.

Der Programmspeicher enthält das Arbeitsprogramm, das in einer SPS - Programmiersprache vom Anwender erstellt wird. Die Programmabarbeitung erfolgt seriell und zyklisch. Das bedeutet:

Bei speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) werden Automatisierungsaufgaben in Form von Steuerungsprogrammen formuliert. Hier legt der Anwender in einer Reihe von Anweisungen fest wie das Automatisierungsgerät (AG) die Anlage steuern oder regeln soll. Damit das AG das Programm "verstehen" kann, muß es in einer ganz bestimmten Sprache, der Programmiersprache, nach festgelegten Regeln geschrieben sein. Bei der Baureihe SIMANTIC® S5 von SIEMENS ist die Programmiersprache STEP® 5 entwickelt worden. Eine solche SPS-Programmiersprache kennt für die Programmanweisungen zur Steuerung der Ablaufschritte entsprechend DIN 19 239 drei verschiedene Darstellungsarten:

• Funktionsplan, kurz FUP oder FBS (Funktionsbausteinsprache),
• Kontaktplan, kurz KOP,
• Anweisungsliste, kurz AWL.

Darüber hinaus können Anweisungen als mathematische Gleichung der Schaltfunktion geschrieben werden.

FUP ist eine graphische Darstellungsart; Sie verwendet für die Anweisungen Symbole die in DIN 40 700 festgelegt sind. Die Funktionsbausteine werden durch Rechtecke in einem Netzwerk dargestellt und durch Signallinien verbunden. An der linken Seite eines Funktionsbausteins sind die Eingänge angeordnet, rechts sind die Ausgänge oder das Funktionsergebnis plaziert.

KOP ist ebenfalls eine graphische Darstellungsart. Die Symbole (DIN 40 700) werden in einem Netzwerk, ähnlich den Strompfaden eines Relaiskontaktplans, dargestellt. Der Kontaktplan ist horizontal aufgebaut. Eingänge werden mit Hilfe von eckigen Klammern dargestellt, Ausgänge durch runde Klammern.

(Die Symbole sind in den USA gebräuchlich.)

Die Anweisungsliste AWL- ist die leistungsfähigste aller Darstellungsarten. Mit ihr kann der gesamte Befehlsvorrat einer SPS geschrieben werden. Mit Hilfe der Programmiersoftware läßt sich dann auch die AWL als FUP oder KOP darstellen. Allerdings setzt das Programmiergerät den Funktionsplan und den Kontaktplan in eine Anweisungsliste um. Im Speicher des Automatisierungsgeräts wird das erstellte Programm im Maschinencode MC 5 hinterlegt.

Eine AWL-Zeile für eine Steuerungsanweisung im SPS-Programm besteht aus Speicheradresse, Operation und Operand.

• Die Speicheradresse gibt an, wo die Anweisung im Arbeitspeicher abgelegt ist.
• Die Operation gibt an, was getan werden soll.
• Der Operand gibt an, worauf die Operation angewendet wird.

Der Operand besteht aus der Operandenkennzeichnung gefolgt von der Byte-Nummer und der Bit-Nummer. Operanden werden angesprochen, indem man ihre Kennzeichung bei der Operation angibt.

• Operanden vom Typ E und A sind Bit-Operanden, d.h. sie haben entweder den Zustand "1" oder "0".
• Operanden vom Typ M (Merker) sind meist Bit-Operanden; sie dienen nur zur programminternen Verarbeitung und zum Speichern von Zwischenergebnissen. Merkerzustände stehen nicht am SPS-Ausgang zur Verfügung.
• Operanden vom Typ T ermöglichen die Realisierung verschiedener Zeitfunktionen, z.B. von Ein- und Ausschaltverzögerungen im SPS-Programm.
• Operanden vom Typ Z bieten eine Zählfunktion zur Realisierung von Vor- und Rückwärtszählern.

Eine SPS-Programmiersprache gibt meist zwei Möglichkeiten des Programmaufbaus: lineare Programmierung bei kleineren, unverzweigten Programmen und strukturierte Programmierung bei größeren, komplexeren Programmen.

Jede Darstellungsart besitzt besondere Eigenschaften. Ein Programmbaustein, der in der AWL programmiert wurde, kann deshalb nicht ohne weiteres in FUP oder KOP ausgegeben werden. Auch die graphischen Darstellungsarten sind untereinander nicht kompatibel. Programme in FUP oder KOP können jedoch immer in AWL übersetzt werden. Das folgende Bild stellt diese Aussage in einem Mengendiagramm dar.

Bei linearer Programmierung wird das Programm nur in einen einzigen Baustein geschrieben, der keine Verzweigung zu weiteren Bausteinen enthält. Bei strukturierter Programmierung wird das SPS-Programm in kleine in sich abgeschlossene Bausteine zerlegt.

Die strukturierte Programmierung erspart Zeit und Kosten bei der Programmierung, denn es können mehrere Programmierer gleichzeitig an einem Projekt arbeiten. Ausserdem erleichtert ein strukturiertes Programm die Fehlersuche bei Inbetriebnahme und Wartung. Zur Strukturierung werden vier Strukturelemente eingesetzt:

Zum Aufruf von Bausteinen sowie zum Rücksprung in den aufrufenden Baustein dienen verschiedene Sprungbefehle und Rücksprungbefehle. In STEP 5 z.B. werden die nachfolgenden Anweisungen eingesetzt:

• Absoluter Bausteinaufruf "SPA": Der Befehl ist vom vorherigen Zustand der Signalverarbeitung unabhängig.
• Bedingter Bausteinaufruf "SPB": Der Befehl wird nur ausgeführt, wenn ein bestimmter Zustand der Signalverarbeitung vorliegt, z.B., wenn ein bestimmter Eingang den Zustand "1" führt.
• Bausteinende "BE": Mit "BE" muß jeder Baustein und auch jedes Netzwerk beendet werden, dahinter dürfen keine weiteren Anweisungen stehen. "BE" führt zum Rücksprung in den aufrufenden Baustein, und zwar in die dem Aufruf folgende Zeile.
• Absoluter Rücksprungbefehl "BEA": "BEA" führt ebenfalls zum Rücksprung in den aufrufenden Baustein. Hinter "BEA" können jedoch, im Gegensatz zu "BE" noch weitere Anweisungen stehen.
• Bedingter Rücksprungbefehl "BEB": "BEB" hat die gleiche Wirkung wie "BE" und "BEA", jedoch ist er vom vorhergehenden Ergebnis der Signalverarbeitung abhängig.

Die Programmiersprache STEP 5 unterscheidet drei Arten von Operationen:

• Die Grundoperationen umfassen Funktionen, die in Organisations-, Programm-, Schritt- und Funktionsbausteinen ausgeführt werden können. Bis auf Addition (+F), die Subtraktion (-F) und die organisatorischen Operationen können sie in allen drei Darstellungsarten (AWL, FUP, KOP) ein- und ausgegeben werden.
• Die ergänzenden Operationen beinhalten komplexe Funktionen, wie z.B. Substitutionsanweisungen, Prüffunktionen, Schiebe- und Umwandlungsoperationen. Sie können nur in der Darstellungsart AWL ein- und ausgegeben werden.
• Systemoperationen greifen direkt auf das Betriebssystem zu. Nur ein erfahrener Programmierer sollte sie einsetzen. Ein- und Ausgeben können Sie die Systemoperationen nur in der Darstellungsart AWL.

Verknüpfungsoperationen sind Binäroperationen für Bit-Operanden, z.B. für Eingangs- und Ausgangsoperanden und Merker, sie legen die Bedingungen fest, unter denen ein Steuerungsschritt ablaufen soll.

Soll der Ausgang gesetzt werden, wenn beide Eingänge "1" sind, muß der Setzbefehl nach dem Rücksetzbefehl stehen (Setzdominanz). Soll der Ausgang rückgesetzt werden, wenn beide Eingänge "1" sind muß der Rücksetzbefehl nach dem Setzbefehl stehen (Rücksetzdominanz).

Bislang wurde schon mehrfach auf die Programmbearbeitung eines SPS- Programms eingegangen. Allerdings wurden dabei nicht die zusätzlichen Aufgaben des Prozessors während eines Programmzykluses berücksichtigt. Dieser muß innerhalb eines Zykluses noch andere Dinge abarbeiten, als die normale Programmbearbeitung erfordern würde. Hierzu zählen unter anderem die alarm- bzw. zeitgesteuerte Programmbearbeitung.
Vor der Bearbeitung des Anwenderprogramms muß der Prozessor zunächst eine Betriebssystemroutine durchlaufen, in der auf Anfragen vom Programmiergerät geprüft wird. Falls eine Anfrage vorliegt, werden Daten über die Schnittstelle gesendet. Danach beginnt die eigentliche Programmbearbeitung.
Hierbei wird zunächst eine Zyklusüberwachungszeit angestoßen, die überwacht in welcher Zeit das SPS-Programm bearbeitet wird.
Wird hierbei eine bestimmte Zeit (meistens 200ms) überschritten, so geht das Automatisierungsgerät in den STOP-Zustand und unterbricht die Programmbearbeitung, so daß das Programmieren einer Endlosschleife verhindert wird.
Anschließend wird vom Prozessor das sogenannte Prozeßabbild der Eingänge (PAE) aus den Eingangsbaugruppen geladen, in dem der Zustand eines Eingangs hinterlegt ist. Dieser Zustand "1" oder "0" gilt für den gesamten Programmdurchlauf, unabhängig von zeitgleichen Änderungen an den Eingängen.
Danach wird das eigentliche Anwenderprogramm (Anweisungen im OB1) durchlaufen. Von diesem kann über die bereits erwähnten Sprungbefehle in Programmblöcke verzweigt werden.
Während der Abarbeitung des Anwenderprogramms werden die Zustände der Ausgänge im Prozeßabbild der Ausgänge (PAA), und die Merkerzustände im Systembereich für Merker abgelegt.
Wenn nun der Prozessor auf die Anweisung "BE" im OB1 trifft, werden die Zustände der Ausgänge, sprich der Inhalt des PAA, an die Ausgangsbaugruppen gesandt.
Danach ist der Zyklus beendet und der Prozessor beginnt von neuem.

An dieser Beschreibung sind die Nachteile einer SPS zu erkennen:

• So werden die Zustände der Eingänge nur am Anfang eines jeden Zyklus erfaßt, so daß Zustandsänderungen während eines Zykluses unberücksichtigt bleiben. Diese Zykluszeit kann je nach Programmlänge und Automatisierungsgerät bei einigen Millisekunden liegen, was bei manchen Anwendungen zu Problemen führen kann, z.B. wenn ein Schalter eine hohe Schaltfrequenz besitzt.

• Ebenso ersichtlich ist die Änderung des Ausgangs die nicht umgehend erfolgt, wenn sich auch der Zustand des Ausgangs im Programm selbst ändert, sondern erst wenn das Prozeßabblid der Ausgänge an die Ausgangsbaugruppen gesendet wird, also am Ende eines Programmzykluses.