SPS Grundlagen

Einleitung

Der Arduino wird häufig als Mikrocontroller für Mess-, Steuer- und Regelungsaufgaben eingesetzt. Mit einer geeigneten Software kann er jedoch auch wie eine kleine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) arbeiten. Dadurch lassen sich viele typische SPS-Anwendungen kostengünstig aufbauen und simulieren.

Für Lernende bietet dies einen entscheidenden Vorteil: Die Grundprinzipien der industriellen Automatisierung können so mit preiswerter Hardware erlernt werden, bevor später professionelle SPS-Systeme eingesetzt werden.

Was ist eine SPS?

Eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein spezieller Computer zur Steuerung technischer Anlagen.

Typische Einsatzgebiete sind:

  • Förderanlagen

  • Verpackungsmaschinen

  • Aufzüge

  • Produktionsanlagen

  • Gebäudeautomation

Wie arbeitet eine SPS?

Das EVA-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe) stellt die generelle Verarbeitung einer Speicher Programmierbaren-Steuerung dar. Dazu arbeitet die SPS zyklisch die Anweisungen in der Reihenfolge ab, wie sie in ihrem Programmspeicher abgelegt sind. Wenn das Programmende erreicht ist, beginnt die Programmabarbeitung wieder von vorne.

Eine SPS arbeitet zyklisch:

  1. Eingänge einlesen (Prozessabild im Eingangsspeicher)

  2. Programm ausführen (Automatisierungsprogramm)

  3. Ausgänge aktualisieren (Prozessabild im Ausgangsspeicher)

  4. Zyklus wiederholen

Dieser Vorgang wird als SPS-Zyklus bezeichnet.

Der Arduino kann mit einer SPS-Software genau nach diesem Prinzip arbeiten.

SPS-Zyklus.

Wie ist eine SPS aufgebaut?

Eine SPS enthält, wie jeder Rechner, ein Steuer- und Rechenwerk (CPU) sowie einen Programm- und Datenspeicher. Darüber hinaus verfügt jede SPS über einen Zeitgeber, eine Schnittstelle zu einem Programmiergerät sowie Ein- /Ausgabeeinheiten, die abhängig vom Umfang und Ausbaugrad der Steuerung jeweils eine oder mehrere Ein- und Ausgabegruppen umfassen.

Eingabeeinheit: Die Eingabeeinheit dient zur Erfassung von analogen oder digitalen Eingangssignalen. Die gewünschte Eingabeeinheit kann gezielt durch eine fest vergebene Adresse angesprochen werden.

Ausgabeeinheit: Die Ausgabeeinheit dient zur Ausgabe analoger oder digitaler Signale. Die entsprechende Ausgabebaugruppe, kann gezielt durch eine fest vergebene Adresse angesprochen werden.

Zeitgeber: Die Zeitgeber ermöglichen die Bildung der für steuerungstechnische Aufgaben erforderlichen Zeiten im Bereich von etwa 0,01 s bis 1000 min.

Merker: Merker sind Speicherelemente, in denen sich das Steuerwerk Signalzustände „merkt” (speichert). Merker können gezielt durch fest vergebene Adressen angesprochen werden.

Programmspeicher: Der Programmspeicher enthält die Anweisungen des Anwenderprogramms.

Steuerwerk: Das Steuerwerk liest die Anweisungen des Automatisierungsprogramms in der Reihenfolge aus dem Programmspeicher und führt die zugehörigen Operationen aus.

Bussystem: Programmspeicher, Steuerwerk, Ein- und Ausgänge sind in der SPS durch einen Bus miteinander verbunden. Das Bussystem ist eine Sammelleitung zur Übertragung von Signalen.

Adressierung von Ein- und Ausgängen

Wie bei einer Siemens-SPS werden Eingänge und Ausgänge über Adressen angesprochen.

SPS-Adresse Bedeutung Arduino Pin
E 0.0 Eingang 1 D2
E 0.1 Eingang 2 D3
E 0.2 Eingang 3 D4
E 0.3 Eingang 4 D5
E 0.4 Eingang 5 D6
E 0.5 Eingang 6 D7
A 0.0 Ausgang 1 D8
A 0.1 Ausgang 2 D9
A 0.2 Ausgang 3 D10
A 0.3 Ausgang 4 D11

Arduino als SPS.

Beispiel:


    Taster an D2
    Lampe an D8

entspricht


    U E0.0
    = A0.0

Darstellungsformen der Programmierung

Steuerungsanweisung

Damit der Arduino die Anweisungsliste immer versteht, ist diese zeilenweise und nach einer festen Struktur aufgebaut. Mit Hilfe der der Steueranweisung wird Funktionsplan in Form einer Anweisungsliste niedergeschrieben.

Beispiel:

Wir setzen einen beliebigen Funktionsplan in eine Anweisungsliste um.

Der Funktionsplan (FUP) sieht folgendermaßen aus:

Die Anweisungsliste (AWL), die aus dem Funktionsplan resultiert, sieht so aus:


    U E0.0
    U E0.1
    O E0.2
    = A0.0

Der Schaltplan und die Anweisungsliste kurz übersetzt: wenn die beiden Taster an Pin D2 und Pin D3 oder der Taster an Pin D4 gedrückt ist, leuchtet die Leuchtdiode an Pin D8.

SPS Software für Arduino

Die Software, um aus dem Arduino eine SPS zu machen, kannst du hier herunterladen:

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