Kernaufgabe einer speicherprogrammierbaren Steuerung war und ist es, boolesche Operationen aneinandergereiht auszuführen und ein logisches, binäres Ergebnis zu bilden. Heute sind speicherprogrammierbare Steuerungen diesen einfachen Funktionen längst entwachsen. Neben der Bitverarbeitung haben die Wortverarbeitung, das Bearbeiten von Zählerund Zeitwerten sowie das Handhaben von breitbandigen Daten bis zu 32 Bit längst Einzug gehalten. Die Kommunikationsanforderungen sind ebenfalls deutlich gewachsen. Gab es früher nur eine serielle Schnittstelle, um die SPS bedienen zu können, verfügt sie heute typischerweise über mehrere, unterschiedliche Schnittstellen.

Auch war die SPS aus früheren Zeiten eine rein zentral arbeitende Steuerung, die ihre gesamte Peripherie an Bord hatte und von der aus hunderte oder tausende von Kabeln in die Maschine oder Anlage führten. Heutige speicherprogrammierbare Steuerungen sind in der Regel mit leistungsstarken Mikroprozessoren ausgestattet. Boolesche Operationen kennen diese Mikroprozessoren aber in aller Regel nicht. Daher wird ein SPS-Befehl in eine Kette von Mikroprozessor-Befehlen (Intel X86 Code, Motorola 68000 Code oder andere) zerlegt. Der Prozessor arbeitet diese Befehlskette dann mit einer hohen Taktfrequenz ab, um in akzeptabler Zeit das binäre Ergebnis zu berechnen.

Da diese Mikroprozessoren 16, 32 oder gar 64 Bit interne Datenbusund Registerstrukturen aufweisen, muss eine Vielzahl von Schiebe- und Rotationsoperationen durchgeführt werden, um die zu verknüpfenden Operanden für die Weiterverarbeitung korrekt auszurichten - viel (Rechen-)Aufwand, um am Ende ein einziges binäres Ergebnis zu erhalten. Nach demselben Prinzip arbeiten die Soft-SPSen. Man könnte meinen, es ist Zeit für einen 1-Bit-Prozessor, der in den Urzeiten der Mikroelektronik bereits entstanden war, aber aufgrund der Datenverarbeitungsanforderungen - etwa aus dem Telekommunikationsbereich - den größeren Busbreiten weichen musste.

Integrierte SPS eher proprietäre Lösung

In den 80er Jahren gab es in Deutschland über 100 SPS-Anbieter. Viele fanden ihren Platz in Nischenanwendungen. Dann folgte quasi eine Standardisierung. Nachdem jeder SPS-Anbieter zunächst sein eigenes Programmiertool, sein eigenes Betriebssystem und seine proprietären Schnittstellen hatte, die zu nichts und niemandem kompatibel waren, kristallisierten sich Markt- und Technologieführer heraus. Dies führte zur heute bekannten Konzentration auf nur noch wenige namhafte Anbieter.

Die „Big Five" - Siemens, Rockwell, Schneider, Mitsubishi und Omron - verfügen jetzt über integrierte Schaltkreise, die imstande sind, SPS-Funktionalität zu realisieren. Jedoch sind dies proprietäre Lösungen, die dem allgemeinen Markt aus Wettbewerbsgründen nicht zur Verfügung stehen. Für kleine und mittlere Unternehmen ist die Neuentwicklung einer SPS mit den Anforderungen der heutigen Zeit nicht mehr zu leisten, nicht nur aufgrund des notwendigen Funktionsumfangs, sondern auch wegen der vielfältigen Datenverarbeitungs- und Kommunikationsanforderungen, die diversen Standards entsprechen müssen.

Parallelen zur PC-Industrie

Was wird die Zukunft also bringen? Betrachten wir kurz die PC-Technologie: etwa um das Jahr 1981, als der „IBM-PC" geboren wurde, war es nicht anders als bei den speicherprogrammierbaren Steuerungen. Der „Wildwuchs" an Hardware-Plattformen, Betriebssystemen und anderen Programmen war unübersehbar. Die später einsetzende Standardisierung kam nicht von einzelnen Herstellern oder von einem Normungsgremium. Vielmehr resultierte sie aus der aufkommenden Möglichkeit, eine bezahlbare Alternative zu einem IBM XT oder AT PC aus Fernost (Taiwan) zu beziehen, womit dieser zum Standard wurde.

Ganz nach diesem Muster versucht Profichip mit einer Single-Chip-SPS-Familie eine Alternative zu den Siemens-Produkten zu bieten und diese auf dem Weg zum Standard zu unterstützen. Die Siemens- Steuerungen basieren auf der weltweit am meisten verbreiteten SPS-Steuerungssprache Step7. Mit einem Bekanntheitsgrad von 96 % in Deutschland und etwa 70 % in Europa sowie der Marktführerschaft in Asien wird schnell klar, welchen Verbreitungsgrad diese Sprache hat.

Die SPS von morgen

Basierend auf der Speed7-Technologie stellte Profichip im Jahre 2003 den ersten puren SPS-Prozessorchip, den PLC7000, vor. 2004 lieferte Vipa erstmals ein Produkt auf der Basis dieses Prozessors aus. Im Jahr 2006 folgte die zweite Generation, der PLC7001, der mit zusätzlichen integrierten Funktionen, wie Kommunikations- Schnittstellen, I/O-Peripherie und vielem mehr ausgestattet war. Beide Chips benötigten allerdings eine externe komplette Mikroprozessor-Infrastruktur für die Kommunikations- und Betriebssystem- Aufgaben sowie einen batteriegepufferten SPS-Speicher.

Jetzt kommt die dritte Generation von Single-Chip-SPSen in zwei Leistungsklassen sowie diversen SPS-Modulen auf den Markt. Diese hochintegrierten Lösungen beinhalten neben der SPS-Funktionalität nicht nur die gesamte Mikroprozessor- Infrastruktur (ARM9), sondern auch Kommunikations-Interfaces für Feldbusse und der Datenkommunikation, den SPS-Speicher, der groß genug ist für eine SPS im mittleren Leistungsbereich und einen Speicher von 256 kByte für Programm und Daten bietet.

Der Schaltplan des PLC7100

Die Eckdaten von PLC7100 und PLC7200

Der SPS-Chip PLC7100 deckt den Funktionsbedarf von Mikro- und Klein- SPSen mit bis zu drei Kommunikationsinterfaces ab. Der große Chip, der PLC7200, verfügt darüber hinaus über ein Speichererweiterungs-Interface mit dem sich der SPS-Speicher extern bis auf 16 MByte „aufbohren" lässt. Zudem sind weitere Kommunikationsschnittstellen vorhanden.

Die Leistungs-Eckdaten

Wie bereits die ersten beiden Generationen gezeigt haben, lassen sich aufgrund der für Automatisierungsanwendungen optimierten Chip-Architektur mit relativ niedrigen Taktfrequenzen von 48 MHz bereits Leistungen erzielen, die schon jetzt über denen existierender Groß-SPSen liegen. Ein angenehmer Nebeneffekt ist, dass der Platzbedarf, die Verlustleistung und die Anforderungen an das Layout der Leiterplatte rapide sinken. Eine Mikro-SPS, realisiert auf der Basis des PLC7100, benötigt für 10 k Anweisungen Programm nur rund 300 μsec. Um den Einsatz des PLC7100/7200 so einfach wie möglich zu gestalten, ist eine Library mit getesteten Stromlaufplänen, Stücklisten, Firmware und Binärfiles für verschiedene Konfigurationen sowie einer Programmiersoftware geplant.

Alle Standardsoftwareteile, die zur Integration beziehungsweise zum Betrieb notwendig sind, werden in verschiedenen Bundles kostenlos zur Verfügung stehen und arbeiten nur mit Komponenten auf der Basis der PLC7xxx-Familie zusammen. Im Einzelfall sind kundenspezifische Anpassungen oder Erweiterungen möglich. Für Anwender, die eigene Funktionen einbinden wollen, steht ein Dual-Port Memory- Interface (DPM) zur Verfügung.

Mögliche Erweiterungen

Zur zentralen beziehungsweise modularen Erweiterung der auf Basis der PLC7xxx- Familie entstandenen Applikation stehen zwei serielle und ein paralleles Interface zur Verfügung. Das parallele Interface dient der breitbandigen Anbindung eigener applikationsspezifischer Hardware, die beiden seriellen Kanäle ermöglichen die modulare Erweiterung mit digitaler und analoger Peripherie. Mit dem seriellen SLIO-Interface steht eine robuste, auf LVDS basierende, und mit 48 MBit/s schnelle Rückwandbus-Anbindung zur Verfügung. Diese bietet Zeitsynchronisation und Alarmfähigkeit als Zusatzfunktionen. Hiermit lassen sich auch sehr zeitkritische Aufgaben im Bereich weniger 100 μs lösen.

Für beide Erweiterungsmöglichkeiten stehen Kommunikations- ICs zur Verfügung, die das Rückwandbusprotokoll selbstständig abwickeln sowie integrierte Funktionen für Diagnose und Fehlerbehandlung besitzen. Auch Maßnahmen zur Erreichung einer hohen Störsicherheit sind bereits integriert. Im PLC7200 ist der interne Bus ebenfalls über ein Interface nach außen geführt, um flexibel auf zukünftige Anforderungen im Bereich von echtzeitfähigen Anwendungen reagieren zu können. Das Einsatzgebiet der Chip-Familie reicht von der platzsparenden und einfachen Integration einer Hardware-SPS in Maschinen, Panels, Antrieben und Reglern bis hin zur Entwicklung einer kompletten SPS-Steuerungsfamilie. Dabei werden sämtliche heute im Markt etablierten Kommunikationsstandards ebenso unterstützt, wie die Programmierung in grafischen Programmiersprachen.

Die Kosten

Die beiden Bausteine kommen im dritten Quartal dieses Jahres auf den Markt. Der 1000er-Stück-Preis des Basis-Chip PLC7100 wird bei zirka 75 Euro liegen. Für den leistungsstarken Bruder, den PLC7200 sind rund 135 Euro zu zahlen.

Die Größendimension der beiden Bausteine.

Das Einsteiger-Modul im DIL28-Gehäuse mit bereits 17 IOs onboard ist in Kleinstückzahlen bereits ab zirka 60 Euro zu haben. Zusätzliche Kosten fallen nur für die Implementierung in das eigene Design an. Grundsätzlich sind alle Softwarekomponenten über den Chip lizenziert.

Trotzdem gibt es ein zweites Businessmodell in dem im Rahmen eines Software Lizenzvertrages erweiterte Funktionen angeboten werden. Die Module und Bausteine der PLC- 7xxx-Familie werden nicht nur über Profichip, sondern auch über die allgemeine Bauteile-Distribution angeboten. Zudem wird es eine Heimwerker-Version geben, die über den Elektronik-Versandhandel vertrieben wird. Für das Design-in werden die Distributoren und ausgewählte Systemhäuser ebenfalls Unterstützung anbieten.

Autor: Wolfgang Seel ist Geschäftsführer und Unternehmensgründer der Firmen Vipa und Profichip.

Hard- contra Soft-SPS

Die wesentlichen Unterschiede einer Hardware- SPS zu einer Mikrocontroller-basierten Applikation sind die Inbetriebnahme und der Test: Diagnosemeldungen und Zustandsinformationen sind bei der Hardware- SPS über das SPS-Betriebssystem direkt abrufbar, so dass Anwenderfehler schnell aufgezeigt und beseitigt werden können. Die SPS ermöglicht es mehreren Anwender gleichzeitig im laufenden Betrieb den Programmfluss und die Variablen zu beobachten (Trace), Änderungen vorzunehmen und ausführliche Diagnosen der lokalen und dezentralen Peripherie abzufragen.

Bei Bedarf kann auch mit Haltepunkten (Single- Step) gearbeitet werden. Durch den in der SPS integrierten Speicherschutz wird zudem verhindert, dass das Anwenderprogramm die Überwachungsfunktionen unbeabsichtigt aushebelt. Gegenüber dem PC zeigen sich die Vorteile der geringeren Verlustleistung, der lüfterlose Betrieb, eine sehr schnelle lokale Peripherie, kleine Abmessungen und meist ein höherer zulässiger Temperaturbereich. Treten in der Applikation schwerwiegende Hardwarefehler auf, so schaltet das Betriebssystem automatisch die Ausgangsperipherie ab und bringt diese in einen sicheren Zustand. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, die Applikation vor Ort anzupassen.

Der Maschinenbauer ist in aller Regel nicht imstande, eine Mikroprozessor-Applikation mit seinem Servicepersonal zu modifizieren. Bei einer SPS-Applikation ist dies viel einfacher. Die SPS-Programmierung in Step7 ist Bestandteil zahlreicher technischer Ausbildungsgänge, so dass nahezu jeder Service-Techniker ohne Hinzunahme von speziellen technischen Hilfsmitteln das Programm analysieren und modifizieren kann. Ebenso ist die Simulation beziehungsweise der Test der Applikation von eigenen Mitarbeitern durchführbar.