Die PLC (Programmable Logic Controller — Speicherprogrammierbare Steuerung) ist ein Steuerungscomputer, der für die Steuerung von Maschinen und Prozessen in industrieller Umgebung konzipiert ist. Sie liest die aus dem Feld kommenden Signale, trifft Entscheidungen gemäß dem in sie geladenen Programm und steuert ihre Ausgänge entsprechend an. Mit der Ablösung relaisbasierter Steuerschränke hat sie sich verbreitet und ist heute zur grundlegenden Steuerungsebene der Automatisierung geworden.
Was unterscheidet die PLC vom Industriecomputer
Die Hardware einer PLC ist auf ein anderes Ziel ausgelegt als der Bürocomputer: unterbrechungsfreier Betrieb, Beständigkeit gegen elektrische Störungen, weiter Temperaturbereich und deterministisches Verhalten. „Deterministisch“ ist hier das kritische Wort — es muss vorhersehbar sein, in welcher Zeit ein Vorgang abgeschlossen wird. Ein Allzweck-Betriebssystem gibt diese Garantie nicht.
Grundkomponenten
CPU (Prozessormodul): Führt das Programm aus, verwaltet Speicher und Kommunikation. Die Kapazität von Programm- und Datenspeicher variiert je nach CPU-Ebene.
Netzteil: In der Regel 24 V DC. Versorgt die Module. Auch der Versorgungsbedarf der Feldgeräte muss in diese Berechnung einbezogen werden.
Digitale Ein-/Ausgangsmodule: Signale mit Ein/Aus-Charakter. Eingänge von Taster, Sensor, Endschalter; Ausgänge zu Schütz, Ventil, Lampe.
Analoge Ein-/Ausgangsmodule: Kontinuierlich veränderliche Größen. Signaltypen wie 0–10 V, 4–20 mA, PT100. Die Auflösung (Bit-Anzahl) bestimmt die Messgenauigkeit direkt.
Kommunikationsmodule: Datenaustausch mit anderen PLC, HMI, Antrieben und übergeordneten Systemen. Bei den meisten modernen CPUs ist ein Ethernet-Port integriert.
Spezialmodule: Module, die Vorgänge wie schneller Zähler, Motion, Wägung und Temperaturregelung unabhängig von der CPU ausführen.
Zykluszeit (scan cycle)
Das PLC-Programm läuft nicht einmal ab und stoppt; es arbeitet in einem ständig wiederholten Zyklus. Der klassische Zyklus besteht aus folgenden Schritten:
1. Lesen des Eingangsabbilds — Alle Eingangszustände werden auf einmal in den Speicher kopiert. 2. Programmausführung — Das Programm arbeitet über dieses Speicherabbild. 3. Schreiben des Ausgangsabbilds — Die berechneten Ausgangszustände werden auf die physischen Ausgänge übertragen. 4. Systemaufgaben — Kommunikation, Diagnose, Watchdog-Kontrolle.
Diese Struktur hat eine wichtige Konsequenz: Selbst wenn sich mitten im Programm ein Eingang ändert, sieht die PLC während dieses Zyklus den alten Wert. Die Änderung wird erst im nächsten Zyklus wirksam. Daher bestimmt die Zykluszeit die Untergrenze der Reaktionsgeschwindigkeit des Systems. Schnelle Signale (hochfrequente Encoderimpulse, kurzzeitige Sensorsignale) werden nicht dem Zyklus überlassen; es wird ein hardwarebasierter schneller Zähleingang oder eine Interrupt-Struktur verwendet.
Programmiersprachen
Die Norm IEC 61131-3 definiert weithin fünf Sprachen:
- LD (Ladder Diagram) — Ähnelt dem Relaisschema, die von Elektrikern am leichtesten
- FBD (Function Block Diagram) — Verknüpfung von Funktionsbausteinen.
- ST (Structured Text) — Textbasiert, ähnelt einer Hochsprache.
- IL (Instruction List) — Assembler-ähnlich. Wird in neuen Projekten nicht
- SFC (Sequential Function Chart) — Beschreibt sequenzielle
zu lesende Sprache. Für Steuerungslogik weit verbreitet.
Bei analoger Verarbeitung und Prozessregelung übersichtlich.
Geeignet für Berechnung, Schleifen und Datenverarbeitung.
bevorzugt.
Prozesse mit einer Schritt-/Transitionsstruktur.
In der Praxis muss man sich nicht für eine einzige Sprache entscheiden; im selben Projekt kann die Steuerungslogik in Ladder, die Berechnungen in ST geschrieben werden.
Bei der PLC-Auswahl betrachtete Kriterien
Anzahl und Typ der I/O: Neben dem aktuellen Bedarf wird auch eine Erweiterungsreserve für später berechnet. Anzahl der Analogkanäle und Signaltypen werden gesondert aufgelistet.
Anforderung an die Zykluszeit: Maßgeblich ist die Funktion der Maschine, die am schnellsten reagieren muss. Bei Anwendungen, die eine Reaktion im Submillisekundenbereich erfordern, werden Controller-Ebene und Hardwareunterstützung gemeinsam bewertet.
Motion-Bedarf: Achsenzahl und der Bedarf an Synchronisation zwischen Achsen (Kurvenscheibe, elektronisches Getriebe) bestimmen die Controller-Klasse direkt.
Kommunikationsprotokoll: Welches Protokoll unterstützen die vorhandenen Geräte im Feld? Die Wahl wie EtherCAT, Profinet, Modbus TCP wird zusammen mit der Netzwerktopologie festgelegt.
Speicher und Datenverwaltung: Anzahl der Rezepturen, Aufzeichnung von Produktionsdaten und Logging-Bedarf erhöhen den Speicherbedarf.
Service und Ersatzteile: Bei langlebigen Maschinen sind der Lebenszyklus des Produkts und die Verfügbarkeit von Ersatzteilen ebenso wichtig wie die technischen Eigenschaften.
Softwareumgebung und Lizenz: Die Zugänglichkeit der Programmiersoftware bestimmt, ob das Wartungsteam nachträglich in die Maschine eingreifen kann.
Was in der Anwendung zu beachten ist
Die Kompatibilität der Sink/Source-Struktur an den Eingängen mit dem Feldgerät, ob an den Ausgängen Relais oder Transistor vorliegt (Schaltgeschwindigkeit und Lasttyp), geschirmtes Kabel und einseitige Erdung bei Analogsignalen, das Wärmemanagement im Schaltschrank — dies sind Themen, über die in der Projektphase entschieden werden muss und deren nachträgliche Korrektur kostspielig ist.
Verwandte Produktfamilien: PLC, Digital-I/O, Analog-I/O, Remote I/O, Kommunikationsmodule, HMI
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