Prof. Dr. Thorsten Jungmann (Stand 2025-09-03)
SPS = Speicherprogrammierbare Steuerung
engl. PLC = programmable logic controller
1 Wie sieht sie aus?
Eine SPS ist meist in einem rechteckigen Gehäuse untergebracht, das auf einer Hutschiene im Schaltschrank montiert wird. Sie besteht je nach Bauform aus einer kompakten Einheit oder aus modularen Baugruppen, die seitlich aneinandergereiht werden. Typische sichtbare Elemente sind Steckplätze für E/A-Module, Anschlussklemmen, Status-LEDs für Betrieb und Signale, Schnittstellen für Kommunikation und Programmierung sowie ggf. Bedienelemente wie Tasten oder kleine Displays.
Beckhoff-SPS
Modulare Beckhoff-SPS (EtherCAT-I/O-System). Links ein Embedded-PC/Buskoppler mit Ethernet-Ports (CX8191) ; daneben die Netzteilklemme zur E-Bus-Auffrischung (EL9410) und zwei DI-Klemmen (EL1002), rechts angereiht mehrere EL-Klemmen: z. B. EL1809 (digitale Eingänge), EL2809 (digitale Ausgänge) und gelbe TwinSAFE-Sicherheits-I/Os (z. B. EL1904/EL2904). Quelle: Beckhoff.com
Phoenix Contact-SPS
Phoenix Contact PLCnext Control, Controller AXC F 2152 mit Axioline F-I/O-Modulen (DI/DO, AI/AO). Quelle: Automation.com
Siemens-SPS
SIMATIC S7-300 mit einem DI/DO-Modul (SM323) und zwei DO-Modulen (SM322)
Quelle: Ulli1105, CC BY-SA 2.5 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5, via Wikimedia Commons
2 Was kann sie?
Eine SPS besteht aus mehreren zentralen elektronischen Komponenten, die gemeinsam die Steuerung und Automatisierung von Maschinen und Anlagen in Echtzeit ermöglichen. Sie basiert auf Computertechnik und ist programmierbar. Die SPS bietet eine flexiblere Alternative zur verbindungsprogrammierten („festverdrahteten“) Steuerung. Durch ihren modularen Aufbau kann sie um Schnittstellen mit digitalen und analogen Ein- und Ausgängen sowie zu Feldbus-Systemen wie Industrial Ethernet, Profibus oder ASi-Bus ergänzt werden.
3 Wie funktioniert sie?
Das Grundprinzip einer SPS folgt dem EVA-Prinzip:
- Eingabe: Erfassen von Prozessdaten über Sensoren.
- Verarbeitung: Programmbearbeitung in der CPU.
- Ausgabe: Ansteuerung von Aktoren zur Beeinflussung des Prozesses[7].
Diese Struktur macht die SPS zu einem universellen und flexiblen Steuerungssystem für die industrielle Automatisierung.
4 Wie sieht sie von innen aus?
Die wichtigsten Bestandteile von SPSn sind:
- Zentrale Verarbeitungseinheit (CPU, central processing unit):
- Das „Gehirn“ der SPS, das das Steuerungsprogramm ausführt und alle logischen sowie arithmetischen Operationen übernimmt.
- Speicher:
- Hier werden das Anwenderprogramm (Steuerungsprogramm) und Betriebsdaten gespeichert. Typische Speichertypen sind RAM (random access memory), ROM (read-only memory) und EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory).
- Ein- und Ausgabemodule (E/A):
- Über diese Schnittstellen erfolgt die Anbindung an die reale Welt. Eingabemodule erfassen Signale von Sensoren (z. B. Taster, Endschalter), Ausgabemodule steuern Aktoren (z. B. Motoren, Ventile).
- Bussystem: Internes System zur Datenübertragung zwischen den Modulen (Systembus, K-Bus, Backplane).
- Stromversorgung:
- Das Netzteil versorgt alle Baugruppen der SPS mit der notwendigen Gleichspannung, ggf. ergänzt durch zusätzliche Versorgungsmodule
- Kommunikationsschnittstellen:
- Dienen der Verbindung zu anderen Systemen, z. B. über Ethernet, Profibus, ASi-Bus oder Modbus. Sie ermöglichen die Vernetzung mit Bediengeräten (HMIs, human machine interface), SCADA-Systemen (supervisory control and data acquisition) oder anderen SPS.
- Bedien- und Programmierschnittstelle: Ermöglicht das Aufspielen und Ändern des Anwenderprogramms, meist über einen PC oder ein spezielles Programmiergerät.
- Sondermodule: Für spezielle Aufgaben wie analoge Signalverarbeitung, Zähler, Zeitgeber, Regler oder Positionierer.
5 Welche Rolle spielt sie in der Lehre?
SPSn sind ein zentrales Thema in der Ausbildung von Mechatronikerinnen und Elektrotechnik-Studierenden. Sie verdeutlichen die Verbindung von Elektrotechnik, Informatik und Automatisierungstechnik. Anhand von SPSn lassen sich grundlegende Konzepte wie zyklische Programmbearbeitung, logische Verknüpfungen, Zeitglieder und Zähler anschaulich vermitteln. In Laboren wird mit Schulungs-SPSn oder Simulationen gearbeitet, um praxisnahe Programmierung und Fehlersuche zu üben.
6 Welche Rolle spielt sie in der Praxis?
SPSn bilden das Rückgrat der industriellen Automatisierung. Sie steuern Maschinen, Fertigungslinien, Roboter, Förderanlagen, Prozessanlagen und Gebäudeautomationen. Durch ihre Modularität und Programmierbarkeit sind sie flexibel anpassbar und können bei Änderungen der Prozesse einfach umprogrammiert werden. Durch die Anbindung an ein Netzwerk ermöglichen sie auch Remote-Monitoring und Ferndiagnostik.
Wichtige Einsatzgebiete sind:
- Maschinenbau: Steuerung von Werkzeugmaschinen, Förder-, Verpackungs- und Montageanlagen.
- Prozesstechnik: Regelung von Temperatur, Druck, Durchfluss in Chemie- oder Lebensmittelindustrie.
- Gebäude- und Versorgungstechnik: Steuerung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen.
- Infrastruktur: Verkehrssteuerung, Wasserwerke, Energieverteilung.
Bekannte SPS-Systeme sind:
- TwinCAT von Beckhoff
- PLCnext von Phoenix Contact
- SIMATIC S7 von Siemens
- Allen-Bradley ControlLogix von Rockwell Automation
- Modicon SPS von Schneider Electric
- IndraControl von Bosch Rexroth
Symbolik
- Kennbuchstabe in Schaltplänen: K
Berechnungen
Zur SPS werden in den Grundlagen der Elektrotechnik keine Berechnungen angestellt.