Programmierbare Logiksteuerung

Eine speicherprogrammierbare Steuerung ( SPS ) ist ein robuster Industriecomputer , der für die Steuerung von Fertigungsprozessen wie Montagelinien , Maschinen, Robotern oder anderen Tätigkeiten, die hohe Zuverlässigkeit, einfache Programmierung und Fehlerdiagnose erfordern, angepasst wurde.

SPSen reichen von kleinen modularen Geräten mit Dutzenden von Ein- und Ausgängen (E/A) in einem mit dem Prozessor integrierten Gehäuse bis hin zu großen, rackmontierten modularen Geräten mit Tausenden von E/A, die häufig mit anderen SPSen und SCADA- Systemen vernetzt sind. ^{[ 1 ]} Sie können für vielfältige Konfigurationen digitaler und analoger E/A, erweiterte Temperaturbereiche, Unempfindlichkeit gegenüber elektrischen Störungen sowie Vibrations- und Stoßfestigkeit ausgelegt werden .

SPS-Systeme wurden ursprünglich in der Automobilindustrie entwickelt, um flexible, robuste und einfach programmierbare Steuerungen als Ersatz für festverdrahtete Relaislogiksysteme bereitzustellen . Dick Morley , der 1968 die erste SPS, die Modicon 084, für General Motors entwickelte, gilt als Vater der SPS.

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein Beispiel für ein System mit harter Echtzeitfähigkeit , da die Ausgaberesultate innerhalb einer begrenzten Zeit als Reaktion auf die Eingangsbedingungen erzeugt werden müssen, da es sonst zu unbeabsichtigten Fehlfunktionen kommen kann. Programme zur Steuerung des Maschinenbetriebs werden typischerweise in einem batteriegepufferten oder nichtflüchtigen Speicher abgelegt .

Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) entstand Ende der 1960er Jahre in der US-amerikanischen Automobilindustrie und wurde als Ersatz für Relaislogiksysteme entwickelt. ^{[ 2 ]} Zuvor bestand die Steuerungslogik für die Fertigung hauptsächlich aus Relais , Nockenwellensteuerungen , Trommelsequenzern und dedizierten Reglern für geschlossene Regelkreise . ^{[ 3 ]}

Die festverdrahtete Bauweise dieser Komponenten erschwerte es den Entwicklungsingenieuren, den Automatisierungsprozess zu ändern. Änderungen erforderten eine Neuverdrahtung und eine sorgfältige Aktualisierung der Dokumentation. Die Fehlersuche gestaltete sich mühsam. ^{[ 4 ]} Mit der Verfügbarkeit von Universalrechnern wurden diese bald zur Steuerungslogik in industriellen Prozessen eingesetzt. Diese frühen Computer waren unzuverlässig ^{[ 5 ]} und erforderten spezialisierte Programmierer sowie die strikte Kontrolle der Betriebsbedingungen, wie z. B. Temperatur, Sauberkeit und Stromqualität. ^{[ 6 ]}

Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) bot gegenüber früheren Automatisierungssystemen mehrere Vorteile. Sie war für den Einsatz in industriellen Umgebungen besser geeignet als Systeme für den Bürogebrauch und war zuverlässiger, kompakter und wartungsärmer als Relaissysteme. Sie ließ sich problemlos mit zusätzlichen E/A-Modulen erweitern. Während Relaissysteme im Falle einer Rekonfiguration aufwendige und mitunter komplizierte Hardwareänderungen erforderten, konnte eine SPS durch das Laden neuen oder geänderten Codes rekonfiguriert werden. Dies ermöglichte eine einfachere Iteration bei der Entwicklung von Fertigungsprozessen. Mit einer einfachen, auf Logik- und Schaltvorgänge fokussierten Programmiersprache war sie benutzerfreundlicher als Computer mit Allzweck-Programmiersprachen . Frühe SPSen wurden in Kontaktplanlogik programmiert , die einem Schaltplan der Relaislogik stark ähnelte . Sie ermöglichte auch die Überwachung ihres Betriebs. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

In den letzten Jahren hat die Einführung virtueller SPSen den Anwendungsbereich speicherprogrammierbarer Steuerungen erweitert. Virtuelle SPSen sind softwarebasierte Steuerungen, die die Funktionen herkömmlicher SPSen simulieren, jedoch auf Standardhardware ausgeführt werden und somit eine kostengünstigere und flexiblere Alternative darstellen. Diese Steuerungen ermöglichen die Verwaltung von Automatisierungssystemen ohne dedizierte Hardware und eignen sich daher ideal für Anwendungen, die Simulation, Fernsteuerung oder Cloud-basierte Systeme erfordern. ^{[ 9 ]}

1968 veröffentlichte GM Hydramatic, die Automatikgetriebesparte von General Motors , eine Ausschreibung für einen elektronischen Ersatz für festverdrahtete Relais-Systeme. Grundlage war ein Whitepaper des Ingenieurs Edward R. Clark. Den Zuschlag erhielt Bedford Associates aus Bedford, Massachusetts . Das Ergebnis, die 1969 gebaute erste speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), trug die Bezeichnung 084 , da es das 84. Projekt von Bedford Associates war. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Bedford Associates gründeten ein Unternehmen namens Modicon, Inc. [ ^{12 ] ,} das sich der Entwicklung, Herstellung, dem Vertrieb und dem Service dieses neuen Produkts widmete, das sie so nannten.Modicon (steht für „modularer digitaler Controller“). Dick Morley, der als Vater der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) gilt,war einer der Mitarbeiter dieses Projekts ^{. [ 13 ]} Die Marke Modicon wurde 1977 anGould Electronicsund später anSchneider Electric, den heutigen Eigentümer, verkauft. ^{[ 11 ]} Etwa zur gleichen Zeit entwickelte ModiconModbus, ein Datenkommunikationsprotokoll für seine SPS. Modbus hat sich seither zu einem offenen Standardprotokoll entwickelt, das häufig zur Verbindung vieler industrieller elektrischer Geräte eingesetzt wird. ^{[ 14 ]}

Eines der ersten gebauten Modicon 084-Modelle ist heute im Werk von Schneider Electric in North Andover, Massachusetts, ausgestellt . Es wurde Modicon von GM übergeben , als das Gerät nach fast zwanzig Jahren ununterbrochenen Betriebs außer Dienst gestellt wurde. Modicon verwendete die Bezeichnung 84 für das Ende seiner Produktpalette, wie beispielsweise Modicon Micro 84 und Modicon TSX CSY 84, bis das Modell 984 auf den Markt kam. ^{[ 15 ]}

In einer parallelen Entwicklung wird Odo Josef Struger mitunter auch als „Vater der speicherprogrammierbaren Steuerung“ bezeichnet. ^{[ 13 ]} Er war an der Entwicklung der speicherprogrammierbaren Steuerung von Allen-Bradley beteiligt. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} Vor der Markteinführung des IBM „Personal Computer“ im Jahr 1981 waren diese Geräte allgemein als „Programmierbare Steuerungen“ oder „PCs“ bekannt. Durch die rasante Expansion der PC-Industrie in den frühen 1980er-Jahren setzte sich die Abkürzung „PC“ schnell und allgemein als Bezeichnung für „Personal Computer“ durch. Odo prägte später das Akronym „PLC“ ^{[ 13 ] [ 16 ]} , um diese beiden Technologien zu unterscheiden. Die Hinzunahme des Wortes „Logik“ war naheliegend, da „Kontaktplanlogik“ bereits als Name der Programmiersprache etabliert war. Allen-Bradley (heute eine Marke von Rockwell Automation ) entwickelte sich während seiner Amtszeit zum führenden SPS-Hersteller in den Vereinigten Staaten. ^{[ 19 ]} Struger spielte eine führende Rolle bei der Entwicklung des IEC 61131-3 -Standards für SPS-Programmiersprachen. ^{[ 13 ]} Allen-Bradleys PLC-5 Die Familie, der die 1774-PLC (veröffentlicht in den 1980er Jahren) vorausging, war das erste modulare Design, das in modernen Systemen zu finden ist. ^{[ 20 ]}

Während Modicon in den frühen 1980er Jahren die beliebteste der ersten vollwertigen SPS-Systeme war, überholte Allen Bradley sie Mitte der 1980er Jahre und erlangte den größten Marktanteil an SPS-Hardware und -Software in Nordamerika. ^{[ 21 ]}

Viele frühe SPS-Programmieranwendungen konnten die Logik nicht grafisch darstellen. Daher wurde sie stattdessen als eine Reihe logischer Ausdrücke in einer Art Boolescher Algebra abgebildet . Da die Kontaktplanlogik (KOP) ein bekanntes Format für elektromechanische Schaltschränke war, setzte sie sich mit der Weiterentwicklung der Programmierterminals immer mehr durch. Neuere Formate wie Zustandslogik ^{[ 22 ]} , Funktionsbausteindiagramme und strukturierter Text existieren. Kontaktplanlogik ist weiterhin beliebt, da SPSen die Logik in einer vorhersehbaren und sich wiederholenden Sequenz abarbeiten. Zudem ermöglicht sie dem Programmierer, etwaige Probleme mit dem Timing der Logiksequenz leichter zu erkennen als andere Formate. ^{[ 23 ]}

Bis Mitte der 1990er-Jahre wurden SPSen mithilfe herstellereigener Programmiergeräte oder spezieller Programmierterminals programmiert , die oft über eigene Funktionstasten für die verschiedenen logischen Elemente der SPS-Programme verfügten. ^{[ 10 ]} Einige dieser Programmierterminals stellten die Programmelemente als grafische Symbole dar, üblicherweise wurden jedoch Kontakte, Spulen und Leitungen als einfache ASCII- Zeichen dargestellt. Die Programme wurden auf Musikkassetten gespeichert . Aufgrund der geringen Speicherkapazität waren die Möglichkeiten zum Drucken und Dokumentieren minimal. Die ältesten SPSen verwendeten Magnetkernspeicher .

Eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) ist eine industrielle, mikroprozessorgesteuerte Anlage mit programmierbarem Speicher zur Speicherung von Programmanweisungen und verschiedenen Funktionen. ^{[ 24 ]} Sie besteht aus:

• Eine Prozessoreinheit (CPU), die Eingaben interpretiert, das im Speicher abgelegte Steuerungsprogramm ausführt und Ausgabesignale sendet.
• Ein Netzteil, das Wechselspannung in Gleichspannung umwandelt
• Eine Speichereinheit, die Daten von Eingaben und das vom Prozessor auszuführende Programm speichert.
• Eine Eingabe- und Ausgabeschnittstelle, über die der Controller Daten von und an externe Geräte empfängt und sendet,
• Eine Kommunikationsschnittstelle zum Empfangen und Senden von Daten über Kommunikationsnetze von und zu entfernten SPSen. ^{[ 25 ]}

Für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) wird ein Programmiergerät benötigt, mit dem das erstellte Programm entwickelt und anschließend in den Speicher der Steuerung geladen wird. ^{[ 25 ]}

Moderne SPSen enthalten im Allgemeinen ein Echtzeitbetriebssystem , wie z. B. OS-9 oder VxWorks . ^{[ 26 ]}

Es gibt zwei Arten von SPS-Systemen in mechanischer Bauweise. Die erste Bauweise, eine sogenannte Kompakt-SPS (auch Block-SPS genannt ), ist eine kleine programmierbare Steuerung, die alle Komponenten und Schnittstellen in einem kompakten Gehäuse vereint. Üblicherweise sind jedoch zusätzliche Erweiterungsmodule für Ein- und Ausgänge erhältlich. Die zweite Bauweise – eine modulare SPS – besteht aus einem Chassis (auch Rack genannt ), das Platz für Module mit unterschiedlichen Funktionen bietet, wie z. B. Netzteil, Prozessor, E/A-Module und Kommunikationsschnittstellen. Diese können individuell an die jeweilige Anwendung angepasst werden. ^{[ 27 ]} Mehrere Racks können von einem einzigen Prozessor verwaltet werden und Tausende von Ein- und Ausgängen aufweisen. Um die Racks vom Prozessor zu entfernen und so die Verdrahtungskosten in großen Anlagen zu reduzieren, wird entweder eine spezielle serielle Hochgeschwindigkeits-E/A-Verbindung oder ein vergleichbares Kommunikationsverfahren verwendet.

Diskrete (digitale) Signale können nur die Zustände „Ein“ oder „Aus“ annehmen (1 oder 0, wahr oder falsch ). Beispiele für Geräte, die ein diskretes Signal liefern, sind Endschalter und Lichtschranken . ^{[ 28 ]}

Analoge Signale können Spannungen oder Ströme verwenden, die der überwachten Größe analog sind und jeden Wert innerhalb ihres Bereichs annehmen können. Druck, Temperatur, Durchfluss und Gewicht werden häufig durch analoge Signale dargestellt. Diese werden typischerweise als ganzzahlige Werte mit unterschiedlichen Genauigkeitsbereichen interpretiert, abhängig vom Gerät und der Anzahl der verfügbaren Bits zur Datenspeicherung. ^{[ 28 ]} Beispielsweise würde ein analoges Eingangssignal von 0 bis 10 V oder 4 bis 20 mA in einen ganzzahligen Wert von 0 bis 32.767 umgewandelt . Die SPS nimmt diesen Wert und wandelt ihn in die gewünschten Einheiten des Prozesses um, sodass er vom Bediener oder Programm gelesen werden kann.

Bestimmte Spezialprozesse müssen permanent und mit minimalen Ausfallzeiten ablaufen. Daher ist ein fehlertolerantes System erforderlich . Um die Systemverfügbarkeit bei Hardwareausfällen zu erhöhen, können redundante CPU- oder E/A-Module mit identischer Funktionalität in die Hardwarekonfiguration integriert werden. Dies verhindert einen vollständigen oder teilweisen Prozessstillstand aufgrund eines Hardwarefehlers. Weitere Redundanzszenarien betreffen sicherheitskritische Prozesse. Beispielsweise kann es bei großen Hydraulikpressen erforderlich sein, dass zwei SPSen einen Ausgang aktivieren, bevor die Presse heruntergefahren werden kann, falls eine SPS nicht ordnungsgemäß funktioniert.

Programmierbare Logiksteuerungen (SPS) sind für Ingenieure ohne Programmierkenntnisse konzipiert. Aus diesem Grund wurde zunächst eine grafische Programmiersprache namens Kontaktplanlogik (KOP) entwickelt. Sie ähnelt dem Schaltplan eines Systems mit elektromechanischen Relais und wurde von vielen Herstellern übernommen und später in der Norm IEC 61131-3 für die Programmierung von Steuerungssystemen standardisiert . Dank ihrer Einfachheit ist sie auch 2015 noch weit verbreitet. ^{[ 29 ]}

Seit 2015 entsprechen die meisten SPS-Systeme dem Standard IEC 61131-3 , der zwei textbasierte Programmiersprachen definiert: Strukturierter Text (ähnlich wie Pascal ) und Befehlsliste ; sowie drei grafische Sprachen: Kontaktplanlogik , Funktionsbausteindiagramm und Ablaufdiagramm . ^{[ 29 ] [ 30 ]} Die Befehlsliste wurde in der dritten Ausgabe des Standards als veraltet eingestuft. ^{[ 31 ]}

Moderne SPSen können auf verschiedene Weise programmiert werden, von der relaisbasierten Kontaktplanlogik bis hin zu Programmiersprachen wie speziell angepassten Dialekten ^von BASIC und C. ^{[ 32} ]

Obwohl die grundlegenden Konzepte der SPS-Programmierung für alle Hersteller gleich sind, führen Unterschiede in der E/A-Adressierung , der Speicherorganisation und den Befehlssätzen dazu, dass SPS-Programme verschiedener Hersteller nie vollständig austauschbar sind. Selbst innerhalb derselben Produktlinie eines Herstellers sind unterschiedliche Modelle möglicherweise nicht direkt kompatibel. ^{[ 33 ]}

Die Hersteller entwickeln Programmiersoftware für ihre SPSen. Diese Software ermöglicht nicht nur die Programmierung von SPSen in mehreren Sprachen, sondern bietet auch gängige Funktionen wie Hardware-Diagnose und -Wartung, Software-Debugging und Offline-Simulation. ^{[ 34 ]}

SPS-Programme werden üblicherweise in einem Programmiergerät geschrieben, das als Tischkonsole, spezielle Software auf einem PC oder als Handgerät ausgeführt sein kann. ^{[ 34 ]} Das Programm wird dann per Kabelverbindung oder über ein Netzwerk auf die SPS übertragen. Es wird entweder im nichtflüchtigen Flash-Speicher oder im batteriegepufferten RAM der SPS gespeichert. Bei manchen SPSen wird das Programm mithilfe einer Programmierkarte vom Programmiergerät auf einen austauschbaren Chip, z. B. einen EPROM , geschrieben, der anschließend in die SPS eingesetzt wird.

Eine fehlerhaft programmierte SPS kann zu Produktivitätsverlusten und gefährlichen Zuständen für die programmierten Anlagen führen. Die SPS-Simulation ist eine häufig in SPS-Programmiersoftware enthaltene Funktion. Sie ermöglicht das Testen und Debuggen in einer frühen Projektphase. Das Testen des Projekts in der Simulation verbessert dessen Qualität, erhöht die Anlagensicherheit und kann Zeit bei der Installation und Inbetriebnahme von automatisierten Steuerungsanwendungen sparen, da viele Szenarien vor der Systemaktivierung getestet werden können. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

Der Hauptunterschied zu den meisten anderen Computern besteht darin, dass SPSen für den Einsatz unter raueren Umgebungsbedingungen (wie Staub, Feuchtigkeit, Hitze und Kälte) ausgelegt und daher toleranter gegenüber diesen sind. Gleichzeitig bieten sie umfangreiche Ein- und Ausgänge (E/A) zur Anbindung von Sensoren und Aktoren . SPS-Eingänge können einfache digitale Elemente wie Endschalter , analoge Variablen von Prozesssensoren (wie Temperatur und Druck) sowie komplexere Daten, beispielsweise von Positionier- oder Bildverarbeitungssystemen , umfassen . ^{[ 36 ]} SPS-Ausgänge können Elemente wie Kontrollleuchten, Sirenen, Elektromotoren , pneumatische oder hydraulische Zylinder, Magnetrelais , Magnetventile oder analoge Ausgänge beinhalten. Die Ein- und Ausgänge können in eine einfache SPS integriert sein, oder die SPS kann externe E/A-Module besitzen, die an einen Feldbus oder ein Computernetzwerk angeschlossen sind.

Die Funktionalität von SPSen hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt und umfasst heute sequentielle Relaissteuerung, Bewegungssteuerung, Prozesssteuerung , verteilte Steuerungssysteme und Netzwerktechnik . Die Datenverarbeitungs-, Speicher-, Rechen- und Kommunikationsfähigkeiten einiger moderner SPSen entsprechen in etwa denen von Desktop-Computern . SPS-ähnliche Programmierung in Kombination mit Remote-I/O-Hardware ermöglicht es, einen Allzweck-Desktop-Computer in bestimmten Anwendungen als SPS einzusetzen. Desktop-Computer-Steuerungen haben sich in der Schwerindustrie jedoch nicht allgemein durchgesetzt, da Desktop-Computer mit weniger stabilen Betriebssystemen als SPSen laufen und ihre Hardware typischerweise nicht die gleiche Toleranz gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit, Vibrationen und Langlebigkeit aufweist wie SPSen.

Die grundlegendste Funktion einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ist die Nachbildung der Funktionen elektromechanischer Relais. In der SPS-Programmierumgebung erhält jeder diskrete Eingang eine eindeutige Adresse, und ein SPS-Befehl kann prüfen, ob der Eingangszustand ein- oder ausgeschaltet ist. So wie eine Reihe von Relaiskontakten eine logische UND- Verknüpfung durchführt und den Stromfluss nur bei geschlossenen Kontakten zulässt, aktiviert eine Reihe von Anweisungen , die den Zustand prüfen, wenn alle Eingangsbits eingeschaltet sind. Analog dazu führt eine parallele Befehlsfolge eine logische ODER-Verknüpfung durch . In einem Schaltplan für ein elektromechanisches Relais wird eine Gruppe von Kontakten, die eine Spule steuern, als Leiterdiagramm bezeichnet . Dieses Konzept wird auch zur Beschreibung der SPS-Logik verwendet. ^{[ a ]} Der Ausgang jedes Leiterdiagramms setzt oder löscht ein Speicherbit, das einem diskreten Ausgang zugeordnet sein kann oder eine interne Spule ohne physische Verbindung darstellt. Solche internen Spulen können beispielsweise als gemeinsames Element in mehreren separaten Leiterdiagrammen verwendet werden.

Erweiterte Anweisungen der SPS können als Funktionsbausteine ​​implementiert werden, die bei Aktivierung durch einen logischen Eingang eine bestimmte Operation ausführen, z. B. die Manipulation einer internen Variablen, und die Ausgänge erzeugen, um beispielsweise den Abschluss oder Fehler zu signalisieren.

SPSen nutzen integrierte Schnittstellen wie USB , Ethernet , RS-232 , RS-485 oder RS-422 zur Kommunikation mit externen Geräten (Sensoren, Aktoren) und Systemen ( Programmierwerkzeugen , SCADA und anderen Benutzerschnittstellen ). Die Kommunikation erfolgt über verschiedene industrielle Netzwerkprotokolle wie Modbus oder EtherNet/IP . Viele dieser Protokolle sind herstellerspezifisch. Früher boten einige Hersteller dedizierte Kommunikationsmodule als Zusatzfunktion an, wenn der Prozessor keine integrierte Netzwerkverbindung besaß.

In größeren E/A-Systemen eingesetzte SPSen können über Peer-to-Peer -Kommunikation (P2P) zwischen den Prozessoren verfügen. Dies ermöglicht die individuelle Steuerung einzelner Teile eines komplexen Prozesses, während die Subsysteme gleichzeitig über die Kommunikationsverbindung koordiniert werden können.

SPSen (Speicherprogrammierbare Steuerungen) müssen unter Umständen mit Menschen interagieren, beispielsweise zur Konfiguration, Alarmmeldung oder für den täglichen Betrieb. Hierfür wird eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) eingesetzt. HMIs werden auch als Mensch-Maschine-Schnittstellen (MMIs) oder grafische Benutzeroberflächen (GUIs) bezeichnet. Einfache Systeme verwenden Tasten und Leuchten zur Interaktion mit dem Benutzer. Neben Textanzeigen stehen auch grafische Touchscreens zur Verfügung. Komplexere Systeme nutzen Programmier- und Überwachungssoftware auf einem Computer, wobei die SPS über eine Kommunikationsschnittstelle angebunden ist.

Eine SPS arbeitet in einem Programmzyklus, in dem sie ihr Programm wiederholt ausführt. Der einfachste Zyklus besteht aus 3 Schritten: ^{[ 37 ]}

1. Eingaben lesen
2. Führe das Programm aus
3. Ausgaben schreiben

Das Programm folgt der vorgegebenen Befehlsfolge. Typischerweise benötigt der Prozessor einige zehn Millisekunden, um alle Befehle auszuwerten und den Status aller Ausgänge zu aktualisieren. ^{[ 38 ]} Enthält das System externe Ein-/Ausgabe – beispielsweise ein externes Rack mit Ein-/Ausgabemodulen –, führt dies zu zusätzlicher Unsicherheit in der Reaktionszeit des SPS-Systems. ^{[ 37 ]}

Spezielle E/A-Module können eingesetzt werden, wenn die Abtastzeit der SPS für ein vorhersehbares Verhalten zu lang ist. Präzisions-Timing-Module oder Zählermodule für Wellengeber kommen zum Einsatz, wenn die Abtastzeit zu lang wäre, um Impulse zuverlässig zu zählen oder die Drehrichtung eines Gebers zu erfassen. Dadurch kann selbst eine relativ langsame SPS die Zählwerte interpretieren und eine Maschine steuern, da die Impulsakkumulation von einem dedizierten Modul durchgeführt wird, das von der Programmausführungsgeschwindigkeit unbeeinflusst ist. ^{[ 39 ]}

Mit der Weiterentwicklung von SPSen wurden Methoden entwickelt, um die Reihenfolge der Leiterprogrammausführung zu ändern, und Unterprogramme wurden implementiert. ^{[ 40 ]}

In seinem 1998 erschienenen Buch wies E. A. Parr darauf hin, dass, obwohl die meisten programmierbaren Steuerungen physische Schlüssel und Passwörter erfordern, der Mangel an strengen Zugriffskontroll- und Versionskontrollsystemen sowie einer leicht verständlichen Programmiersprache die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass unautorisierte Änderungen an Programmen vorgenommen werden und unbemerkt bleiben. ^{[ 41 ]}

Vor der Entdeckung des Computerwurms Stuxnet im Juni 2010 wurde der Sicherheit von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) wenig Beachtung geschenkt. Moderne SPSen enthalten in der Regel Echtzeitbetriebssysteme, die ähnlich wie Desktop-Betriebssysteme anfällig für Sicherheitslücken sein können. SPSen können auch durch die Übernahme der Kontrolle über einen mit ihnen kommunizierenden Computer angegriffen werden. ^{[ 26 ]} Seit 2011 haben diese Bedenken zugenommen, da die Vernetzung in der SPS-Umgebung immer üblicher wird und die zuvor getrennten Produktions- und Büronetzwerke miteinander verbindet. ^{[ 42 ]}

Im Februar 2021 veröffentlichte Rockwell Automation eine kritische Sicherheitslücke in seiner Logix-Controller-Familie. Der geheime kryptografische Schlüssel zur Verifizierung der Kommunikation zwischen SPS und Workstation konnte aus der Programmiersoftware (Studio 5000 Logix Designer) extrahiert und zur Fernänderung von Programmcode und Konfiguration eines angeschlossenen Controllers verwendet werden. Die Sicherheitslücke erhielt im Common Vulnerability Scoring System (CVSS) die höchste Schweregradbewertung (10 von 10) . ^{[ 43 ]}

Sicherheits-SPS können entweder als eigenständige Geräte oder als sicherheitszertifizierte Hardware und Funktionalität in bestehende Steuerungsarchitekturen (z. B. Allen-Bradley GuardLogix, Siemens F-Serie) integriert werden. Sie unterscheiden sich von herkömmlichen SPS-Typen durch ihre Eignung für sicherheitskritische Anwendungen, für die SPS traditionell mit festverdrahteten Sicherheitsrelais und Speicherbereichen für Sicherheitsanweisungen ausgestattet wurden. Der Sicherheitsstandard ist das Safety Integrity Level (SIL).

Eine Sicherheits-SPS kann beispielsweise zur Zugangskontrolle einer Roboterzelle mit Schlüsselsperre oder zur Steuerung der Abschaltreaktion auf einen Not-Aus-Schalter an einer Förderbandanlage eingesetzt werden. Solche SPSen verfügen typischerweise über einen eingeschränkten Standardbefehlssatz, der durch sicherheitsspezifische Befehle ergänzt wird. Diese Befehle dienen der Ansteuerung von Not-Aus-Schaltern, Anzeigetafeln und anderen sicherheitsrelevanten Geräten.

SPSen eignen sich hervorragend für eine Vielzahl von Automatisierungsaufgaben . Typischerweise werden sie in industriellen Fertigungsprozessen eingesetzt, wo die Kosten für Entwicklung und Wartung des Automatisierungssystems im Verhältnis zu den Gesamtkosten hoch sind und während der Betriebsdauer mit Systemänderungen zu rechnen ist. SPSen verfügen über Ein- und Ausgabegeräte, die mit industriellen Geräten und Steuerungen kompatibel sind; der elektrische Planungsaufwand ist gering, und die Herausforderung besteht darin, die gewünschte Abfolge von Operationen zu beschreiben. SPS-Anwendungen sind typischerweise hochgradig kundenspezifische Systeme, sodass die Kosten einer Standard-SPS im Vergleich zu den Kosten einer kundenspezifisch entwickelten Steuerung gering sind. Bei der Massenproduktion von Gütern sind kundenspezifische Steuerungssysteme hingegen wirtschaftlich. Dies liegt an den geringeren Kosten der Komponenten, die optimal ausgewählt werden können, anstatt auf eine Standardlösung zurückzugreifen, und an den einmaligen Entwicklungskosten, die sich auf Tausende oder Millionen von Einheiten verteilen.

Diese Systeme eignen sich für kleine Maschinen und Anlagen mit geringen bis mittleren Stückzahlen. Sie können SPS-Sprachen wie Kontaktplanlogik , Funktionsbausteindiagramme und Ablaufdiagramme ausführen . Sie ähneln herkömmlichen SPSen, ihre geringe Größe ermöglicht es Entwicklern jedoch, sie wie einen Mikrocontroller in kundenspezifische Leiterplatten zu integrieren – ohne Programmierkenntnisse, aber mit einer einfach zu bedienenden, modifizierbaren und wartungsfreundlichen Sprache. Architektonisch positionieren sie sich zwischen klassischen SPSen bzw. Mikro-SPSen und Mikrocontrollern.

Ein auf Mikrocontrollern basierendes Design eignet sich für Serienfertigungen von Hunderten oder Tausenden von Einheiten, da sich die Entwicklungskosten (Entwicklung von Netzteilen, Ein-/Ausgabehardware sowie notwendigen Tests und Zertifizierungen) so auf viele Verkäufe verteilen lassen und der Endnutzer die Steuerung nicht verändern muss. Automobilanwendungen sind ein Beispiel: Jährlich werden Millionen von Einheiten produziert, und nur wenige Endnutzer ändern die Programmierung dieser Steuerungen. Bei einigen Spezialfahrzeugen, wie z. B. Linienbussen, werden jedoch aus wirtschaftlichen Gründen speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) anstelle von kundenspezifisch entwickelten Steuerungen eingesetzt, da die Stückzahlen gering sind und die Entwicklungskosten unwirtschaftlich wären. ^{[ 44 ]}

Sehr komplexe Prozesssteuerungen, wie sie beispielsweise in der chemischen Industrie eingesetzt werden, erfordern unter Umständen Algorithmen und eine Leistungsfähigkeit, die selbst Hochleistungs-SPSen übersteigen. Auch sehr schnelle oder präzise Steuerungen, wie etwa in der Flugzeugsteuerung, können kundenspezifische Lösungen erfordern. Für besonders anspruchsvolle Steuerungsanwendungen, bei denen die hohen Entwicklungs- und Wartungskosten tragbar sind, können Einplatinencomputer mit teilkundenspezifischer oder vollständig proprietärer Hardware eingesetzt werden. „Soft-SPS“, die auf Desktop-Computern laufen, können mit industrieller E/A-Hardware interagieren und Programme innerhalb einer für die Prozesssteuerung angepassten Version kommerzieller Betriebssysteme ausführen. ^{[ 44 ]}

Die zunehmende Beliebtheit von Einplatinencomputern hat auch die Entwicklung von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) beeinflusst. Traditionelle SPS sind im Allgemeinen geschlossene Plattformen , aber einige neuere SPS (z. B. groov EPIC von Opto 22 , ctrlX von Bosch Rexroth , PFC200 von Wago , PLCnext von Phoenix Contact und Revolution Pi von Kunbus) bieten die Funktionen traditioneller SPS auf einer offenen Plattform .

In den letzten Jahren haben sich kleine Produkte, sogenannte programmierbare Logikrelais (PLRs) oder intelligente Relais, zunehmend durchgesetzt. Sie ähneln speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und werden in der Leichtindustrie eingesetzt, wo nur wenige Ein-/Ausgänge benötigt werden und geringe Kosten wichtig sind. Diese kleinen Geräte werden typischerweise von verschiedenen Herstellern in einheitlicher Größe und Form angeboten und von den Herstellern größerer SPS unter deren Markennamen vertrieben, um deren Produktpalette im unteren Preissegment abzudecken. Die meisten PLRs verfügen über 8 bis 12 diskrete Eingänge, 4 bis 8 diskrete Ausgänge und bis zu 2 analoge Eingänge. Üblicherweise besitzen sie ein kleines, briefmarkengroßes LCD-Display zur Anzeige vereinfachter Kontaktplanlogik (es wird jeweils nur ein kleiner Teil des Programms angezeigt) und des Status der Ein-/Ausgänge. Neben diesem Display gibt es in der Regel einen 4-Wege-Wippschalter und vier weitere separate Tasten, ähnlich den Tasten einer Videorecorder -Fernbedienung, mit denen die Logik gesteuert und bearbeitet werden kann. Die meisten verfügen über eine RS-232- oder RS-485- Schnittstelle zum Anschluss an einen PC, sodass Programmierer benutzerfreundliche Software anstelle des kleinen LCD-Displays und der Tasten verwenden können. Im Gegensatz zu herkömmlichen SPSen, die in der Regel modular und stark erweiterbar sind, sind PLRs üblicherweise nicht modular oder erweiterbar. Ihre Kosten können jedoch deutlich niedriger sein als die einer SPS, und sie bieten dennoch ein robustes Design und eine deterministische Logikausführung.

Eine Variante der SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung), die an entfernten Standorten eingesetzt wird, ist die Remote Terminal Unit (RTU). Eine RTU ist typischerweise eine robuste SPS mit geringem Stromverbrauch, deren Hauptfunktion die Verwaltung der Kommunikationsverbindungen zwischen dem Standort und dem zentralen Steuerungssystem (typischerweise SCADA ) oder in einigen modernen Systemen der Cloud ist. Im Gegensatz zur Fabrikautomation, die kabelgebundene Kommunikationsprotokolle wie Ethernet nutzt , basieren die Kommunikationsverbindungen zu entfernten Standorten häufig auf Funk und sind weniger zuverlässig. Um die geringere Zuverlässigkeit auszugleichen, puffert die RTU Nachrichten oder wechselt zu alternativen Kommunikationspfaden. Beim Puffern von Nachrichten versieht die RTU jede Nachricht mit einem Zeitstempel, sodass eine vollständige Historie der Standortereignisse rekonstruiert werden kann. Da RTUs SPSen sind, verfügen sie über eine Vielzahl von Ein-/Ausgängen und sind vollständig programmierbar, typischerweise mit Sprachen des IEC 61131-3 -Standards, der für viele SPS, RTUs und Prozessleitsysteme (DCS) üblich ist. An entfernten Standorten wird eine RTU häufig als Gateway für eine SPS eingesetzt, wobei die SPS die gesamte Standortsteuerung übernimmt und die RTU die Kommunikation verwaltet, Ereignisse mit Zeitstempeln versieht und Peripheriegeräte überwacht. Bei Standorten mit nur wenigen E/A-Schnittstellen kann die RTU auch als Standort-SPS fungieren und sowohl Kommunikations- als auch Steuerungsfunktionen übernehmen.

• 1-Bit-Computing
• CODESYS – IDE zum Schreiben von SPS-Programmen
• Ignition SCADA – Softwareplattform für industrielle Automatisierung und SCADA
• Industrial control system
• PLC technician

• Daniel Kandray, Programmierbare Automatisierungstechnologien , Industrial Press, 2010 ISBN 978-0-8311-3346-7Kapitel 8 Einführung in speicherprogrammierbare Steuerungen
• Walker, Mark John (08.09.2012). Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS): Vorgeschichte, Entstehung und Anwendung (PDF) (Dissertation). Fachbereich Kommunikation und Systeme, Fakultät für Mathematik, Informatik und Technologie: The Open University . Archiviert (PDF) vom Original am 20.06.2018 . Abgerufen am 20.06.2018 .