Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS): Allrounder der Automatisierungstechnik
Erfahren Sie alles über speicherprogammierbare Steuerung in der Automatisierungstechnik - von Aufbau und Prinzipien über die Einsatzgebiete, Vorteile sowie Ausprägungen bis hin zu SPS auf der productronica.
Die Speicherprogrammierbare Steuerung: Automatisieren in Echtzeit
Automatisierung hat einen festen Platz in der Fertigungsindustrie. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS; englisch: programmable logic controller, PLC) spielen dabei eine Schlüsselrolle. Und das obwohl in Zeiten von Digitalisierung und großen Datenmengen regelmäßig Fragen nach ihrer Daseinsberechtigung aufkommen. Condition Monitoring, Data Analytics oder Predicitve Maintenance lässt eher an Industrie-PCs (IPC) denken als an eine Steuerungstechnik aus den siebziger Jahren.
Robustheit, Reaktionszeiten im Millisekundenbereich, lange Lebenszyklen, IT-Sicherheit und nicht zuletzt die millionenfach installierte Hardwarebasis sprechen jedoch nach wie vor für die SPS-Automatisierung. Zudem erfüllen moderne speicherprogrammierbare Steuerungen zunehmend Anforderungen an IT-Funktionalität (OT meets IT), standardisierte Kommunikation (OPC UA), an die Integration von Cloud- und Edge-Funktionalität sowie von künstlicher Intelligenz.
Auch Analysten sehen den Markt für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) weiterhin im Wachstum. Mordor Intelligence prognostiziert in einer aktuellen Studie eine Steigerung von 11,75 Milliarden US-Dollar in diesem Jahr auf 14,46 Milliarden US-Dollar bis 2028 bei einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum (CAGR) von 4,23 Prozent. Die IMARC Group erwartet im selben Jahr für die SPS-Industrie einen Umsatz von 20,2 Milliarden US-Dollar.
SPS - Aufbau und Prinzip
Das Funktionsprinzip von speicherprogrammierbaren Steuerungen ist seit ihrer Einführung gleich geblieben. Sie empfangen Eingangssignale (Sensoren, Schalter, etc.) von Anlagen und Maschinen, verarbeiten diese sequentiell und zyklisch anhand einer programmierten Logik - typischerweise im Millisekunden-Takt - um mit den Ergebnissen schließlich entsprechende Ausgangssignale für Aktoren wie Motoren, Ventile und Relais zu aktivieren.
Ein Prozessor, Speicher, ein Netzteil und die Eingangs- bzw. Ausgangsmodule (I/O-Module) reichten also ein halbes Jahrhundert lang, um wenig fehlertolerante, sequenzielle oder repetitive Produktionsprozesse in oftmals härtesten industriellen Umgebungen via SPS zu automatisieren.
Einsatzgebiete für die SPS-Automatisierung
Heutzutage spielen die speicherprogrammierbaren Steuerungssysteme (SPS) eine zentrale Rolle in nahezu allen Branchen und Bereichen. Aufgrund ihrer Effizienz und vielfältigen Möglichkeiten sind sie zu unverzichtbaren Werkzeugen in der Automatisierungstechnik geworden. Die Einsatzgebiete der SPS-Automatisierung reichen von der Fertigungsautomatisierung bis zur Wasseraufbereitung. Nachfolgend werfen wir einen näheren Blick auf die SPS-Technologie, ihre Verwendung in verschiedenen Bereichen und wie diese zur Prozessoptimierung, Qualitätssicherung und Effizienzsteigerung beitragen:
1. Fertigungsautomatisierung:
SPS steuern in Produktionslinien den Ablauf von Fertigungsprozessen, bewegen Materialien und führen Qualitätskontrollen durch.
2. Maschinensteuerung:
Kleinststeuerungen bis hin zu CNC- und Roboter-Steuerungen erfolgen durch SPS.
3. Gebäudeautomatisierung:
SPS steuern die Heizung, Lüftung, Klimatisierung, Beleuchtung und Sicherheitssysteme in Gebäuden.
4. Verkehrs- und Transportsysteme:
SPS überwachen und steuern Ampeln, Aufzüge, Förderbänder, automatische Türen und andere Aspekte von Verkehrs- und Transportsystemen.
5. Energieerzeugung:
SPS überwachen und regulieren Energieerzeugungsanlagen wie Wasserkraftwerke, Windturbinen oder Solaranlagen.
6. Chemie- und Pharmaindustrie:
SPS kontrollieren und überwachen chemische Prozesse, um Sicherheit und Produktqualität zu gewährleisten.
7. Lebensmittel- und Getränkeindustrie:
SPS steuern Füll- und Verpackungsprozesse, Temperaturkontrolle und Hygienestandards.
8. Wasseraufbereitung:
SPS stellen in Wasseraufbereitungsanlagen die Trinkwasserqualität sicher.
Die Vorteile der SPS
Im Gegensatz zu den ursprünglich fest verdrahteten, verbindungsprogammierten Steuerungen (VPS) auf Basis von Relaisschaltern punktet moderne, programmierbare und vernetzte SPS-Automatisierung mit:
- hoher Flexibilität und Zuverlässigkeit,
- geringem Montageaufwand,
- einfacher Duplizier- und Erweiterbarkeit,
- besseren Diagnosemöglichkeiten,
- schnellem Funktionswechsel sowie
- geringem Energieverbrauch und Platzbedarf.
Den SPS-Vorteilen stehen nur wenige Nachteile gegenüber. So lohnt sich etwa für einfache Steuerungsaufgaben, die sich nicht häufig ändern, die Anschaffung einer SPS nicht. Außerdem setzt die speicherprogrammierbare Variante eine entsprechende technische Infrastruktur mit digitalen Geräten und geschultem Personal voraus.
Steuerungstechnik – modular, soft oder virtuell
Speicherprogrammierbare Steuerungen finden als modulares System, als kompaktes Gerät oder als eingebettete Chip-Lösung Anwendung. Für den weniger sicherheitskritischen Einsatz erlangen softwarebasierte Steuerungen (Soft-SPS) zunehmend an Bedeutung. Sie laufen in der Regel auf Universal-PC-Hardware mit einem um Echtzeit erweiterten Betriebssystem.
Den nächsten Schritt stellen virtuelle Steuerungen (VSPS) dar, die im Gegensatz zur Soft-SPS vollkommen unabhängig von der Hardware funktionieren. Der Weg in die Cloud eröffnet schließlich die Integration in Industrie-4.0-Lösungen und IIoT-Plattformen zur Realisierung von intelligenten und adaptiven Produktionsumgebungen.
Smart Production Solutions für die Smart Factory
Dies lässt sich mit der aktuellen Protokollvielfalt nur schwer umsetzen. Deswegen soll OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) als plattformunabhängiger, einheitlicher Kommunikationsstandard den nahtlosen Informationsfluss zwischen Geräten verschiedener Hersteller sicherstellen. Erweitert um TNS (Time-Sensitive Networking) und dem sogenannten Publish/Subscribe-Mechanismus erfüllt OPC UA neben der Interoperabilität ebenso die Echtzeitanforderungen der SPS-Industrie.
Herstellerunabhängige Steuerungstechnik schreibt sich auch die Non-Profit-Organisation Universalautomation.org (UAO) auf die Fahnen. Der Verband sagt mit der Norm IEC 61499 proprietären Automatisierungssystemen den Kampf an. Als Erweiterung der Industrienorm IEC 61131 definiert sie ein Modell für verteilte Steuerungssysteme. Die Event-Orientierung erlaubt es Funktionsblöcken auf Ereignisse zu reagieren, ohne eng an eine zentrale Steuerungslogik gebunden zu sein. Das verbessert die Flexibilität, Wiederverwendbarkeit und Skalierbarkeit von SPS-Automatisierung.
Ob IIoT-Integration, Edge Computing, KI-Anwendungen oder erhöhte Cyber-Sicherheit - eine standardisierte, sichere Kommunikation vom Feldgerät bis in die Cloud ist die Voraussetzung für leistungsfähigere, intelligentere sowie vernetztere SPS. Um ihr volles Potential auszuschöpfen, müssen Unternehmen in Zukunft mit diesen aufkommenden Trends Schritt halten.
SPS auf der productronica 2023
Auf der productronica zeigen Anbieter, wie durch die enge Vernetzung von klassischer Produktionstechnik mit moderner Informations- und Kommunikationstechnologie die Produktivität gesteigert wird und durch Integration von KI die Systeme an Intelligenz gewinnen.
Dabei unterstützt der VDMA – ideeller und fachlicher Träger der productronica - die Unternehmen bei der Erarbeitung von OPC UA Companion Specifications. Und auch die productronica-Aussteller Beckhoff, Omron, Festo oder Kuka treiben OPC UA als standardisiertes Kommunikationsprotokoll voran.
VDMA Sondershow
Auf der VDMA Sondershow dreht sich dieses Jahr alles um Anwendungen zur Leistungselektronik, Quantentechnologie sowie Sensorik in der Elektronikproduktion
Mit von der Partie der weltweit vertretene Sensor- und Automatisierungsspezialist Balluff, mit hochwertigen Sensor-, Identifikations- und Bildverarbeitungslösungen inklusive Netzwerktechnik und Software.
Ort: Halle B2, Stand 448
Das productronica Forum
Trends und Gamechanger für die SMT-Branche stehen im Fokus des productronica Forum – von Industrie 4.0 bis zu Artificial Intelligence. Dazu gehören die Zukunft der Mess- und Prüftechnik, die Qualitätssicherung sowie Innovationen bei Automatisierung und Robotik.
Ort: Halle A1
The PCB & EMS Marketplace
Neben aktuellen Markttrends und zukünftigen Technologietrends sind Digitalisierung und Transformation wichtige Schwerpunktthemen des PCB & EMS Marketplace. Es geht um Leiterplatten und Schaltungsträger-Fertigung, hybride Bauteile-Fertigung, Automatisierung und Artificial Intelligence; aber auch um Umweltaspekte, die Reinraumtechnologie und Rückverfolgungsmöglichkeiten.
Ort: Halle B3
Der SPS Guide: Häufig gestellte Fragen zum Thema speicherprogrammierbare Steuerung
Das Kernstück der meisten industriellen Steuerungen und Fabrikautomationssysteme ist die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS; englisch: programmable logic controller, PLC). Hier sind einige häufig gestellte Fragen (FAQs) zu SPS:
Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein elektronisches Gerät, das verwendet wird, um Automatisierungsprozesse in industriellen Anwendungen zu steuern.
Die Hauptkomponenten einer SPS sind die CPU (Zentraleinheit), Eingangs- und Ausgangsbaugruppen (I/O-Module), Speicher, Kommunikationsschnittstellen und eine Programmierschnittstelle.
VPS (Verbindungsprogrammierte Steuerung) ist eine festverdrahtete Steuerung. Bei einer SPS (speicherprogrammierten Steuerung) wird die Steuerung per Software vorgenommen. Die fortschrittlichere Lösung ist eine SPS, weil die Steuerung durch ein maßgeschneidertes Programm vorgenommen werden kann.
Eine SPS liest Eingangssignale von Sensoren, verarbeitet diese basierend auf einem vorprogrammierten Steuerungsprogramm und gibt dann entsprechende Ausgangssignale an Aktoren aus.
Zu den Vorteilen gehören Flexibilität in der Programmierung, einfache Anpassung an verschiedene Prozesse, Zuverlässigkeit und die Möglichkeit zur Echtzeitüberwachung von Anlagen.
SPS-Systeme werden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt, einschließlich Fertigungsanlagen, Verarbeitungsanlagen, Lagerhäusern, Robotik und vielen anderen.
Die am häufigsten verwendeten Programmiersprachen für SPS sind IEC 61131-3-konforme Sprachen wie Ladder Logic, Function Block Diagram (FBD), Structured Text (ST) und Sequential Function Chart (SFC).
Eine SPS wird normalerweise mit einer speziellen Software programmiert, die es ermöglicht, das Steuerungsprogramm zu erstellen, zu laden und zu überwachen. Die Programmiersprache hängt von der verwendeten Software ab.