Die Speicherprogrammierbare Steuerung: Allrounder der Automatisierungstechnik

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

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.

Speicherprogrammierbare Steuerungen – die Vorteile

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 jedoch nur schwer umsetzen. Deswegen soll OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) als plattformunabhängiger, einheitlicher Kommunikationsstandard den nahtlosen Informationsfluss zwischen Geräten verschiedener Hersteller von der Feldebene bis in die Cloud sicherstellen und moderne Anwendungen wie Big Data, Machine Learning, industrielle Bildverarbeitung, künstliche Intelligenz und Deep Learning oder vorausschauende Wartung erlauben. 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.