Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)

Einleitung

Vorwort

Das Thema Speicherprogrammierbare Steuerungen [SPS] entstand im Rahmen des Praktikums Produktionstechnik an der Hochschule Hamm Lippstadt. Grundgedanke war die Aggregation von ausschlaggebenden Kriterien zur Auswahl einer geeigneten Steuerungseinheit. Nicht nur im Praktikum, welches ein Teil des Fach-Moduls Global Production Engineering ist, stehen angehende Ingenieure vor der Frage, welche Ressource sie einsetzen, um ein gewünschtes Resultat zu erzeugen oder einen bestimmten Bereich zu erweitern, sondern auch im nachfolgenden Berufsalltag frischer Absolventen. Der nachfolgende Artikel, welcher von Pascal Siekmann verfasst wurde um verfügbare SPS-Systeme zu vergleichen, unterliegt nicht dem Anspruch auf Vollständigkeit, sondern soll einen Überblick über die Marktführer und deren Systeme generieren.

Einleitung und Überblick über den Weltmarkt

Speicherprogrammierbare Steuerungssysteme sind nach wie vor die wichtigsten Elemente der Automatisierungstechnik. Der Begriff SPS suggeriert viel weniger Leistungsfähigkeit als seit Jahren praktisch angeboten wird. SPS-Systeme beinhalten heute z.B. auch Panels zum Bedienen und Beobachten, sogenannte „Human Machine Interface“ [HMI], automatische Kommunikation mit übergeordneten" Prozessrechnern" Datenkommunikation in Netzen, schnelle geregelte Antriebe und komplexe Regelfunktionen sowie Applikationen von Industrie-PC`s.

Die Programmierung solcher Systeme ist kostenintensiver als die Hardware selbst. Ursache dafür war bisher vor allem, dass genormte Programmiersprachen nur auf dem Papier existierten. Bis zu 70 Steuerungshersteller waren zeitweise am Markt aktiv und benutzten genauso viele „Dialekte“ der Programmiersprachen. Dazu kam der „Feldbuskrieg“ der achtziger und neunziger Jahre. Die Vielzahl der Sprachelemente – quasi ein „babylonisches Sprachgewirr“ - verhinderten Automatisierungslösungen mit Komponenten unterschiedlicher Hersteller, die hinsichtlich der Automatisierungs- und Kommunikationsstruktur hätten optimiert werden können.

[Zitat: Grundlagen der Automatisierungstechnik I: 3. Programmiersysteme Seite 3-1 Autor: Dr. Becker Fachzentrum für Automatisierungstechnik im BTZ Rohr-Kloster ]

Gerade durch eine solche Masse von Herstellern ist es wichtig sich ein Überblick über die Marktführer zu erschaffen. Denn nach dem betriebswirtschaftlichen Punkt der Anschaffungskosten eines Systems und auch dem Punkt der technischen Anforderungen ist ein wesentlicher Faktor, welches System bereits in einem Konzern eingesetzt wird.

Somit kann eine spätere Vernetzung einwandfrei gewährleistet werden. Denn der Einsatz von mehreren Herstellern in einer Produktionsanlage kann die spätere Vernetzung gerade im Zeitalter Industrie 4.0 nicht nur schwierig gestalten, sondern komplett verhindern. Ebenfalls müsste Expertise im Bereich der Programmiersprachen von allen eingesetzten Herstellern im Unternehmen angesiedelt sein, welches den Aufwand ebenfalls höher betriebswirtschaftlich unrentabel gestallten kann.

Somit wird empfohlen sich daran zu orientieren welcher, Hersteller im Komplettsystem der Wertschöpfungskette oder Produktionsanlage bereits eingebunden ist.

Das Automatisierungssystem Siemens Simatic S7 mit dem Programmiersystem Step7 kann sich hinsichtlich Verbreitung und Bekanntheitsgrad durchaus als Weltmarktführer bezeichnen, was das nachfolgende Diagramm einer Marktübersicht von 2008 von den Hauptherstellern Speicherprogrammierbare Steuerungssysteme zeigt. Oftmals wird vom „Industriestandard S7“ gesprochen. Viele andere SPS-Systeme wurden am Markt mehr oder weniger verdrängt. [Zitat: Grundlagen der Automatisierungstechnik I: 3. Programmiersysteme Seite 3-1 Autor: Dr. Becker Fachzentrum für Automatisierungstechnik im BTZ Rohr-Kloster ]

Bildverweis[in Anlehnung an https://www.inf.tu-dresden.de/content/institutes/iai/tis-neu/lehre/archiv/folien.ss_2008/Vortrag_Hubrich.pdf]

Betrachtet man nun eine neuere Umfrage, bezogen auf den Bekanntheitsgrad SPS-Hersteller im deutschen Binnenmarkt aus einer Marktstudie von 2014, ergibt sich ein ähnliches Bild seitens Siemens. Dennoch wird der Name Beckhoff an zweiter Stelle genannt. Dieses verdankt Beckhoff Automation dem rasanten Firmen-Wachstum, welches sich im Zuge von 2008 von 280 Mio Euro Umsatz auf fast 620 Mio€ Umsatz (2016) mehr als verdoppelte.

Bildverweis[in Anlehnung an http://www.marktstudien.org/pdf/ergebnisauszug_sps.pdf Folie 8]

Ebenfalls ist der Bereich der Sonstigen Hersteller auch nicht außer acht zu lassen, gerade wenn eine kostengünstige Alternative zur Einführung einer SPS gesucht wird. Sozusagen beim Ersteinkauf. Einer solcher sonstiger Hersteller, gerade im Raum Ostwestfalen Lippe, ist Phönix Contakt.

Um nun einige Hersteller zu vergleichen, orientiert sich dieser Artikel an den oben genannten PLatzhirschen aber auch an solchen wie "Phönix Contakt".

Übersicht über den Vergleich

Hersteller im Vergleich:

• SIEMENS AG
• Mitsubishi Electric Europe B. V.
• Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
• PHOENIX CONTACT Deutschland GmbH

Attribute des Vergleich:

• Grundsätzlicher Aufbau
• Erweiterbarkeit der Steuerungseinheit
• Programmiersprachen
• Einfachheit im Einrichten und Betrieb
• Vor- und Nachteile

Grundsätzlicher Aufbau

SIEMENS AG SPS

Grundlegend muss man zu Beginn sagen, dass es viele verschiedene Varianten einer SPS von jedem Hersteller gibt. Somit können nur allgemeine Informationen angegeben und verglichen werden.

Die SIEMENS SPS funktioniert nach einem erweiterbaren Konzept welches abhängig von der Serie ist.

Von links nach rechts, wie in der Abbildung beschrieben, befinden sich Stromversorgung, welche das System mit Energie versorgt, nachfolgend durch ein Stecksystem verbunden die Central Processing Unit [CPU]. Anschließend folgen, je nach Ausführung, Input/Output [I/O] Module, welche sowohl digitale als auch analoge Signale verarbeiten können.

Komponenten der SIMENS Grundbaugruppe:

• Anschluss für Programmiergerät MPI-Schnittstelle
• CPU sowie ROM und RAM (Schreib Lese Speicher)
• Einsteckplatz für Speicherkarte(Memory-Card)
• Erweiterungsbus
• Betriebsartenschalter
• evtl. Batterie (Spannungsausfall für RAM-Speicher)
• RUN/Stop Schalter

Servicespannungsquelle-PS(Power-Supply)-Stromversorgung:

• RUN/Stop Schalter
• Spannungswahlschalter
• Statusanzeige
• Netzanschluss

Signalmodule:

• Digitale Eingänge
• Digitale Ausgänge
• LEDs für Eingangszustände
• LEDs für Ausgangszustände

Erweiterbarkeit:

Das System an sich ist um viele solcher Signalverarbeitungsgruppen erweiterbar z.B. RS232-Schnittstellen, Feldbusmodule oder ganz speziell genaue Regeleinheiten können an das System durch hinzufügen auf der Trägerschienen und anschließendes Verbinden erweitert werden. Ebenfalls kann Siemens über Ihr favorisierter Feldbus System Profibus viele Teilnehmer nahezu unbegrenzt ansteuern. Abhängig ist dies durch die benutzte Serie und Zusatzmodule. Reichen Arbeitsspeicher und Rechenkapazität nicht aus genügt eine Erweiterung um ein extra CPU-Modul.

Mitsubishi SPS

Alle beinhalteten Grundgeräte (links im Bild ) sind prinzipiell gleich aufgebaut. Ähnlich wie bei SIEMENS ist es von links nach rechts erweiterbar. Dennoch befindet sich bei Mitsubishi in der Grundbaugruppe bereits die Stromversorgung und Klemmen für digitale Ein- und Ausgänge. Bei Siemens gibt es zwar auch solche Komplettpakete, dennoch ist der Regelfall CPU, Stromversorgungsmodul und I/O_Module extra zu installieren.

Komponenten der Mitsubishi Grundbaugruppe:

• Anschluss für Adapterboard
• Anschluss für Programmiergerät
• EEPROM (Schreib Lese Speicher)
• Einsteckplatz für Speicherkarte
• Erweiterungsbus
• Analoge Potentiometer
• Servicespannungsquelle
• Digitale Eingänge
• Digitale Ausgänge
• LEDs für Eingangszustände
• LEDs für Ausgangszustände
• Batterie (Spannungsausfall für RAM-Speicher)
• RUN/Stop Schalter

Erweiterbarkeit: Der Grundaufbau ist ebenso um Module erweiterbar, seien es normale I/O-Module oder wie bei SIEMENS Spezialbaugruppen, die komplexe Aufgaben übernehmen. Die SPS von Mitsubishi ist ebenfalls, wie vergleichbare Modelle von Siemens, über Ihren favorisierten Feldbus-System (CC-Link) erweiterbar. Reichen Arbeitsspeicher und Rechenkapazität nicht aus genügt eine Erweiterung um ein extra CPU-Modul.

Beckhoff SPS

Beckhoff benutzt kaum den Grundbegriff "SPS" für Ihre Steuerungsmodule, sondern nennen diese Beckhoff Klemmen, welche mittels CPU-Einheit gesteuert werden können. Der Unterschied zu SIEMENS und Mitsubishi ist, dass Beckhoff ohne separate CPU und Grundeinheit ihre Klemmen steuern kann. Dies erfolgt über eine Virtuelle CPU in z.B. einem Industrie-PC, welcher über ihr eigenes Feldbus-System oder Ethernet die Klemmen und ihre mitinberiffenden I/O-Module ansteuert.

Komponenten der Beckhoff Grundbaugruppe: Prozessor

• Flash Speicher (ROM)
• Interner Arbeitspeicher (RAM)
• Schnittstelle
• Diagnose LED (Fehler-Diagnose)
• Erweiterungssteckplatz
• Uhr(Betriebsintern)
• Betriebssystem
• Steuerungssoftware
• Systembus
• Spannungsversorgung

Signalmodule:

• Digitale Eingänge
• Digitale Ausgänge
• LEDs für Eingangszustände
• LEDs für Ausgangszustände

Erweiterbarkeit: Beckhoff ist im wesentlichen in Ihren einzelnen Klemmen begrenzt in der Erweiterbarkeit. Dennoch genau wie bei SIEMENS und Mitsubishi erfolgt ein I/O-Modul Erweiterung entweder über dazustecken von Einheiten auf derselben Trägerschiene oder das Verbinden weiterer Komponenten über ihre Ethernet-Schnittstelle. Beckhoff ermöglicht es dennoch auch gängige Feldbussysteme über Zusatzmodule zu betreiben. Beckhoff bietet über 400 Sepzialbaugruppen an.

Generell beschenkt sich Beckhoff nicht nur auf eigene Produkte sondern erzeugt über Ihr Bussystem eine Kompatibilität zu anderen Herstellern.

Phönix CONTACT SPS

Phoenix Contact bietet ein umfassendes Spektrum an speicherprogrammierbaren Steuerungen, wie auch die Mitbewerber und Platzhirsche. Generell steigt wie auch bei SIEMENS und Mitsubishi die Funktionalität entsprechend der ausgewählten Serie wie das nachfolgende Bild zeigt.

Komponenten der Phönix Grundbaugruppe: Prozessor

• Flash Speicher (ROM)
• Interner Arbeitsspeicher (RAM)
• Schnittstelle
• Diagnose-LED (Fehler-Diagnose)
• Erweiterungssteckplatz
• Uhr(Betriebsintern)
• Betriebssystem
• Steuerungssoftware
• Systembus (Profinet)
• Digitale Eingänge
• Digitale Ausgänge
• LEDs für Eingangszustände
• LEDs für Ausgangszustände

Spannungsversorgung Externes Netzteil für Betrieb der Steuerung

Erweiterbarkeit:

Auch Phönix Contact Steuerungen lassen sich im Wesentlichen an der Steuerung selbst, begrenzt durch Zusatzklemmen, oder unbegrenzt durch Komplettsysteme und Sub-CPU über ihr Bussystem (Profinet) erweitern. Generell beschränkt sich Beckhoff nicht nur auf eigene Produkte sondern erzeugt über Ihr Bussystem oder Ethernet eine Kompatibilität zu anderen Herstellern.

SPS Programmiersprachen

Die Programmiersprache von SPS-Geräten wird in der Norm IEC 61131-3 festgelegt.

Diese bestehen aus:

• AWL – Anweisungsliste

Die Anweisungsliste ist eine Textbasierende Programmiersprache, welche der Programmiersprache Assembler ähnelt.

• KOP – Kontaktplan

Kontaktplan ist eine grafisch orientierte Programmiersprache und ähnelt Stromlaufplänen.

• FBS – Funktionsbausteinsprache (FUP)

Funktionsbausteinsprache ist eine grafisch orientierte Programmiersprache und verwendet in ihrer Darstellung die Logiksymbole der Booleschen Algebra. Sie ist insbesondere für Verknüpfungssteuerungen geeignet und vor allem bei Anfängern und bei wenig fortgeschrittenen Programmierern beliebt, da die Programmlogik durch die Visualisierung relativ leicht nachvollziehbar ist.

• AS – Ablaufsprache

Eine Ablaufsteuerung ist eine Kette von Steuerungsschritten, welche durch Weiterschaltbedingungen miteinander verbunden sind.

• ST - Strukturierter Text

Der strukturierte Text ist eine Programmiersprache, bei der die Syntax der Sprachelemente ähnlich denen der Hochsprache Pascal ist. ST kann im Wesentlichen ein höheres Spektrum als AWL abdecken.

Diese werden von den Softwarepaketen der Hersteller meist vollständig bedient. Eine nicht definierte Sprache der Norm stellt CFC – Signalflussplan dar, welche durch ihre Verbreitung als "de facto Norm" gezählt werden kann.

Siemens Programmieroberfläche: Step 7

• FBS -Funktionsbausteinsprache
• KOP – Kontaktplan
• AWL – Anweisungsliste

• S7 SCL (angelehnt an ST - Strukturierter Text)
• S7 Graph (angelehnt an AS - Ablaufsprache)
• S7 HiGraph (grafische Programmierung)
• S7 CFC (Signalflussplan)

Mitsubishi Programmieroberfläche: MELSEC

• FBS – Funktionsbausteinsprache
• KOP – Kontaktplan
• AWL – Anweisungsliste
• AS – Ablaufsprache
• ST - Strukturierter Text

Beckoff Programmieroberfläche: TwinCat

• FBS – Funktionsbausteinsprache
• KOP – Kontaktplan
• AWL – Anweisungsliste
• AS – Ablaufsprache
• ST - Strukturierter Text
• CFC - Continuous Function Chart

Phoenix Contact Programmieroberfläche: PC Worx

• FBS – Funktionsbausteinsprache
• KOP – Kontaktplan
• AWL – Anweisungsliste
• AS – Ablaufsprache
• ST - Strukturierter Text

Vorteile und Nachteile

SIEMENS

Nachteile sind:

• Bei Recherchen fällt immer wieder auf, dass SIEMENS im Bereich Kosten sehr hoch verschrienen ist.
• Ebenfalls schränkt sich Siemens mit Kompatibilität zu anderen Herstellern sehr ein.

Gewünscht ist SIEMENS zu benutzen und niemand anderen.

• Ein weiterer Nachteil ist, das viele Steuerungen noch auf S5 basieren, einem älteren Betriebssystem von SIEMENS, welches sich im Bereich Vernetzung selbst einschränkt.
• Die schwer überschaubare Entwicklungsumgebung erfordert viel Einarbeitungsaufwand.
• Die Konfiguration der Steuerung gestaltet sich sehr komplex.
• Es wird ein Extra Spannungversorgungsmodul benötigt
• Es werden Extra I/O-Module benötigt, diese sind im Wesentlichen nicht im Grundmodul enthalten.

Vorteile sind:

• Neben dem Bekanntheitsgrad sind Vorzüge das große Spektrum an Komponenten, welche sich über alle Teilbereiche der Automatisierungstechnik bewegen.

Damit zusammenhängend ist die durchgehende Datenhaltung.

• Ebenfalls bietet Siemens ein integriertes Diagnose- und Fernwartung-System an.
• Die Steuerungen sind sehr robust.

Mitsubishi

Nachteile sind:

• Viel extra Software benötigt, um alle Funktionalitäten abzudecken.

Vorteile sind:

• der sehr günstige Preis
• eine angenehme und überschaubare Entwicklungsumgebung
• robuste stabile Steuerungen
• Programm wird schnell auf Steuerung übertragen

Beckhoff

Nachteile sind:

• wenig verbreitet auf dem Weltmarkt
• keine I/O`s im Grundmodul

Vorteile sind:

• Software ist für die Grundkomponenten kostenlos
• Verhältnismäßig günstiger Preis im Vergleich zu SIEMENS
• Hohes Spektrum an Erweiterbarkeit und Funktionalität
• Robuste Verarbeitung der Hardware
• CPU kann sich auch auf einem Industrie-PC befinden
• Programmierbar mit Matlab/Simulink
• Kompatibel mit vielen Herstellern

Phönix

Nachteile sind:

• wenig verbreitet auf dem Weltmarkt
• externes Netzteil benötigt

Vorteile sind:

• Software ist für die Grundkomponenten kostenlos
• Verhältnismäßig sehr günstiger Preis im Vergleich zu SIEMENS
• im Vergleich der wohl günstigste Hersteller
• Spektrum an Erweiterbarkeit ist gegeben, dennoch nicht so hoch wie bei den Platzhirschen
• kompatibel mit vielen Herstellern

Zusammenfassung

Abschliessend lässt sich sagen das es auf den speziellen Anwendungsfall ankommt welchen Hersteller man auswählt. So kommt es hier auf die bereits eingesetzten Steuerungen und persönliche Erfahrungen im Betrieb an. Wird eine kostengünstige Alternative gesucht, ist Phönix zu empfehlen. Steigt die zu lösende Aufgabe auf ein hohes Niveau ist Beckhoff, Siemens oder Mitsubishi empfehlenswert. Grundgedanke der Auswahl sollte nach V-Diagramm eine Anforderungsanalyse sein um solche systeme zu beschaffen. Man sollte sich preislich und an den vorhandenen Steuerungen der Hersteller orientieren. Im Allgemeinen bietet jeder Hersteller viele Serien an, welche alle möglichen Funktionalitäten abdecken können.

Durch die Programmiersprachen kann ebenfalls eine Auswahl getroffen werden. Diese unterscheiden sich jedoch größtenteils nur in der Benutzeroberfläche. Die eingebundenen Programmiersprachen decken sich zu einem großen Teil.

Fazit: Es kommt auf die Serie und auf den Preis an.