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Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS): Rückgrat von Maschinen-, Anlagenbau und Produktion

Erfahren Sie alles über speicherprogammierbare Steuerung in der Automatisierung und in Maschinen und Anlagen – von Aufbau und Prinzipien über die Einsatzgebiete, Vorteile sowie Ausprägungen bis hin zu SPS auf der electronica.

Ein hoher Automatisierungsgrad ist das Erfolgskriterium in Maschinen- und Anlagenbau und in der gesamten 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.

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.

Speicherprogrammierbare Steuerung in Industrien
© Messe München GmbH

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 im Anlagenbau und in der Automatisierung geworden. Die Einsatzgebiete der SPS-Automatisierung reichen von der Fertigungsautomatisierung bis bis hin zu kritischer Infrastruktur, wie 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.

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.

© Messe München GmbH

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.

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.

© Messe München GmbH

Die SPS ist eine ausgereifte, Robuste und sehr überlebensfähige Technik und eine der erfolgreichsten Steuerungskomponente überhaupt. Sie ist so unverzichtbar wie das Relais. Beide Technologien wurde schon öfters für obsolet erklärt und leben immer noch prächtig. Wobei das Relais Leistungen erbringt, die man noch lange nicht sinnvoll mit Halbleitern umsetzen kann.

Auf der electronica reiht sich die SPS in die Vielfalt der intelligenten Komponenten ein. Sie konkurriert erfolgreich mit modernen Mikroprozessoren- und Mikrocontrollern-basierten Lösungen und speziell mit Embedded-Boards und -Modulen aller Art sowie mit Embedded-PCs. Die speicherprogrammierbare Steuerung ist heute und auch künftig ein unverzichtbarer Baustein für die All Electric Society.

Embedded Platforms und Industrial Control

Mit dem Embedded Platforms Forum und dem Industrial Control Forum wird die electronica ab 2024 noch stärker auf die Anwendungen im Maschinenbau und in der Automatisierung ausgerichtet. Die beiden Foren bieten Hard- und Softwareentwicklern, Systemdesignern, Produktmanagern, Entwicklungsleitern und Geräteherstellern eine Plattform zum Wissensaustausch und zur offenen Diskussion über die Herausforderungen und Lösungen für Embedded Systems und industrielle Steuerungs- und Automatisierungssysteme.

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:

Was ist eine speicherprogrammierbare Steuerung?

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein elektronisches Gerät, das verwendet wird, um Automatisierungsprozesse in industriellen Anwendungen zu steuern.

Was sind die wichtigsten Komponenten einer SPS?

Die Hauptkomponenten einer SPS sind die CPU (Zentraleinheit), Eingangs- und Ausgangsbaugruppen (I/O-Module), Speicher, Kommunikationsschnittstellen und eine Programmierschnittstelle.

Was ist der Unterschied zwischen SPS und VPS?

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.

Wie funktioniert eine speicherprogrammierbare Steuerung?

Eine SPS liest Eingangssignale von Sensoren, verarbeitet diese basierend auf einem vorprogrammierten Steuerungsprogramm und gibt dann entsprechende Ausgangssignale an Aktoren aus.

Welche Vorteile bietet die Verwendung einer SPS?

Zu den Vorteilen gehören Flexibilität in der Programmierung, einfache Anpassung an verschiedene Prozesse, Zuverlässigkeit und die Möglichkeit zur Echtzeitüberwachung von Anlagen.

Für welche Anwendungen kann eine SPS verwendet werden?

SPS-Systeme werden in einer Vielzahl von Maschinen und industriellen Anlagen eingesetzt, einschließlich Fertigungsanlagen, Verarbeitungsanlagen, Lagerhäusern, Robotersystemen und vielen anderen.

Welche Programmiersprachen werden für SPS verwendet?

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).

Wie kann ich eine SPS programmieren?

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.