Die verschiedenen SPS-Systeme

Hardware SPS

Am meisten verbreitet unter den Steuerungssystemen ist derzeit die hardwarebasierte SPS. Eine SPS besitzt die Struktur eines Rechners. Die Funktion ist als Programm gespeichert. Eine SPS besteht in der Regel aus:

  • Stromversorgung (PS)
  • Steuerungsprozessor (CPU)
  • Baugruppen für digitale Eingänge und Ausgänge
  • internes Bussystem

Daneben können auch Baugruppen für analoge Eingänge und Ausgänge (Analogwertverarbeitung), Regler, Zähler oder Baugruppen für Positionierungen Bestandteil einer SPS sein.

SPS gibt es je nachdem welche Anforderungen an die SPS gestellt werden, entweder in modularer Ausführung oder als Kompaktgeräte.

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SPS-Systeme
SPS-Systeme von Siemens AG
S7-400
SPS der Reihe S7-400

Slot-SPS

Mittlerweile ist es auch möglich, den PC für Steuerungsaufgaben zu benutzen. Sowohl unter Windows als auch unter Linux kann der PC die Hardware SPS ersetzen und für Steuerung von Maschinen und Anlagen genutzt werden. Somit ist es nebenbei möglich, PC-spezifische Aufgaben wie beispielsweise Speicherung von Produktionsdaten zu realisieren.

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Slot-SPS
Slot SPS
SPS-Karte
SPS-Karte von Siemens AG

Neben der klassischen SPS werden heute immer öfter auch PC-basierende Steuerungskonzepte verwendet. Der PC ist aus Produktionshallen mittlerweile nicht mehr wegzudenken, dient er doch an einer Maschine als Bediengerät und zum Beobachten von Produktionsabläufen durch Prozessvisualisierung. Wegen der immer höherwerdenden Leistungsfähigkeit moderner PC's lag die Idee nicht fern dem PC auch Steuerungsaufgaben durchführen zu lassen. Allerdings tauchten hierbei eine Reihe von Problemen auf, die gemeistert werden mussten, um mit einer Slot-SPS ein Verhalten zu erzeugen welches dem einer klassischen SPS gleichkommt.

Eines der Probleme an denen der Einsatz von Slot-SPS vorerst scheiterte war die Unzuverlässigkeit früherer Windows-Betriebssysteme, einen BlueScreen und dann ein notwendiges erneutes Starten des PC's welches unter Umständen schon mal 5 bis 10 min. nach einem Systemabsturz dauern konnte wollte sich kein Unternehmen leisten. Desweiteren waren ältere Betriebssysteme nicht in der Lage reale Echtzeitfähigkeit zu leisten. Erst die Weiterentwicklung der Betriebssysteme und dadurch die Möglichkeit spezielle Betriebssystemerweiterung programmieren und einzusetzen zu können sowie der Einsatz von echtzeitfähigen Betriebssystemen auf neuester PC-Hardware schafften die Voraussetzungen für den Einsatz von Steuerungssoftwarelösungen. Diese Lösungen waren nun in der Lage als Laufzeitsysteme in Echtzeit mit der klassischen SPS mitzuhalten.

Dabei gingen die Entwickler zwei Wege. Zum einen wurde eine reine Softwarelösung entwickelt, die den Prozessor des PC's nutzt und sich demzufolge die Leistungsfähigkeit des Prozessor's mit anderen Programmen teilen muss. Zum anderen wurde eine Hardwareversion entwickelt. Diese Hardewareversion in Form von PC-Steckkarten, Slot-SPS, besitzt einen Co-Prozessor, der die Steuerungsfunktion ohne Mithilfe des PC-Prozessors alleine ausführt.

Slot-SPS haben ein eigenes Betriebssystem und arbeiten daher völlig unabhängig von den anderen Softwarekomponenten im PC. Eine Slot-SPS besitzt Anschlüsse für Feldbussysteme, sodass dadurch auch der Zugriff auf dezentrale Aktoren und Sensoren realisiert werden kann.

Vor- und Nachteile von Slot-SPS

Vorteile einer Slot-SPS

Aufgrund der Integration einer Slot-SPS in einen PC als aktiven Bestandteil eines Automatisierungs-konzeptes ergibt sich ein bedeutend geringerer Platzbedarf für eine speicherprogrammierbare Steuerung. Desweiteren verringert sich auch der Verdrahtungsaufwand durch die in der Slot-SPS integrierten Anschlüsse. Beim Einsatz einer Slot-SPS in Verbindung mit einer Visualisierungssoftware vereinfacht sich deutlich die Kommunikation zwischen Slot-SPS und PC da beide auf eine gemeinsame Datenbasis, den PCI-Bus des PC's, zurückgreifen. Es gab und gibt auch Slot-SPS für ISA-Bus, diese werden aber nicht mehr verwendet.

Slot-SPS mit einer separaten Stromversorgung bleiben auch dann in Betrieb wenn das Betriebssystem des PC's ausfällt oder der PC neu hochgefahren werden muss. Eine Slot-SPS ist außerdem in der Lage, aktuelle Prozessdaten wie in herkömmlichen SPS in remanenten Datenbereichen zwischenzuspeichern um einen korrekten Wiederanlauf zu gewährleisten. Spezielle Bauweisen von Slot-SPS eiweitern deren Einsatzmöglichkeiten enorm. Üblicherweise liegt das Haupteinsatzfeld von Slot-SPS in der Abarbeitung von Ablaufprogrammen auf der Grundlage logischer Verknüpfungen, allerdings kann man eine Slot-SPS auch einsetzten um Bewegungssteuerungen zu realisieren.

Dabei ist der Schritt von den Aufgaben als SPS nicht weit um aus einer Slot-SPS eine Motion-Control-Karte werden zu lassen. So können z.B. Servoverstärker über digitale Schnittstellen angesteuert werden wie auch eine Vielzahl von Antriebsregelungen. Ausgestattet mit leistungsfähigen Prozessoren realisiert man extrem genaue Steuerungen für Produktionsabläufe bei CNC-Maschinen, Werkzeugmaschinen, Sondermaschinen, Robotern usw. Dies bedeutet eine enorme Kostenreduzierung und bessere Ressourcenauslastung durch die Möglichkeit, SPS Funktionen und CNC Funktionen mit einer Slot-SPS realisieren zu können.

Nachteile einer Slot-SPS

Wird eine Slot-SPS ohne eigene Spannungsversorgung eingesetzt ist diese Karte abhängig vom störungsfreien Betrieb des PC's. Ein weiterer Nachteil von Slot-SPS ist auch wenn die Karte noch für das ältere ISA-Bussystem ausgelegt ist. Diese Karten haben den Nachteil das das ISA-Bussystem rapide an Bedeutung verliert und in neueren PC's hauptsächlich der PCI-Bus vorherrschend ist. Das hat zur Folge das in der Regel bei der Anschaffung neuer PC's auch neue Karten zum Einsatz kommen müssen. Slot-SPS für PCI-Bus profitieren von schnelleren Busübertragungszeiten und einer daraus resultierenden schnelleren Kommunikation zwischen der PC-Hardware und eventuell angebundenen Softwareapplikationen.

Soft SPS

Eine Soft SPS ist extrem abhängig von der Zuverlässigkeit der PC-Hardware und vom störungsfreien Lauf des installierten Betriebssystems. Die Soft SPS muss sich auch die Prozessorleistung des PC's mit dem Betriebssystem und möglicherweise noch installierter Anwendersoftware teilen. Der PC-Prozessor muss einerseits SPS-Programme abarbeiten die in Echtzeit und völlig deterministisch ablaufen, auf der anderen Seite kommen für den PC-Prozessor Anforderungen von weiterer Software hinzu die geringere Ansprüche an die Zuverlässigkeit sowie deterministisches Zeitverhalten stellt wie die SPS. Hier ergibt sich das Problem das der PC-Prozessor zwischen zwei Betriebssystemwelten hin- und herschalten muss was sich in sensiblen Bereichen auf die Leistungsfähigkeit der Soft SPS auswirkt.