SPS-Steuerung – Entwicklung und Einsatz

Im Jahr 1968 erschien die erste speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die die komplexen Relaisschaltungen in Industrieanlagen ersetzte. Die SPS wurde so konzipiert, dass sie für Ingenieure und Techniker, die bereits mit Relaislogik und Steuerungsschaltplänen vertraut waren, leicht programmierbar ist.

Die neue Steuerung diente zudem dazu, die damals übliche aufwendige Verdrahtung zwischen Schützen und Schaltern zu eliminieren bzw. erheblich zu vereinfachen. Ihre Entwicklung stand in direktem Zusammenhang mit dem rasanten Wachstum der Automatisierung von Produktionsprozessen. Obwohl die ersten SPS-Systeme nur über sehr begrenzte Speicher- und Leistungsfähigkeiten verfügten, wurden diese in kurzer Zeit deutlich verbessert.

Die Einführung von SPS-Steuerungen sowie einer zentralen Verarbeitungseinheit trug wesentlich zur Vereinfachung der Planung und Implementierung industrieller Automatisierungssysteme bei.

Was sind moderne speicherprogrammierbare Steuerungen und welchen Nutzen bringt ihr Einsatz? Antworten finden Sie in diesem Artikel.

Was ist eine SPS-Steuerung?

Die Bezeichnung PLC stammt vom englischen Begriff Programmable Logic Controllers, also speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS). Es handelt sich um industrielle Computer, die mit spezieller Software ausgestattet sind und zur Steuerung einzelner Maschinen oder ganzer Maschinenparks eingesetzt werden.

Die SPS ist eines der wichtigsten Geräte in der industriellen Automatisierung. Im Laufe der Jahre wurden sowohl analoge als auch digitale Ein- und Ausgänge eingesetzt. Ursprünglich erfüllten SPS-Steuerungen Funktionen wie das Erfassen von Signalen von Sensoren und Messgeräten. Auf Basis dieser Eingangsdaten steuert die SPS die Ausgangsgeräte und trifft Entscheidungen gemäß einem speziell entwickelten Steuerungsprogramm.

Durch ihren Einsatz werden einzelne Aufgaben mithilfe eines entsprechend konfigurierten Programms ausgeführt. Dadurch wird die Regelung von Maschinen und Anlagen erleichtert sowie die Anpassung und Optimierung von Steuerungsprozessen ermöglicht.

Bestandteile von SPS-Steuerungen

SPS-Steuerungen bestehen aus einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), digitalen Eingangsbaugruppen, analogen Eingangsbaugruppen, Kommunikationsmodulen, speziellen Funktionsmodulen, Speicher sowie einem Netzteil.

Kommunikationsmodule dienen zur Kopplung der Steuerung mit anderen Geräten, wie beispielsweise einem Programmiergerät oder Komponenten eines lokalen Netzwerks in einem bestimmten Standard (z. B. Profibus, Ethernet), über entsprechende Schnittstellen (z. B. USB, RS232).

Der Einsatz von SPS ist heute deutlich einfacher geworden. Obwohl die ersten SPS-Systeme nur über sehr begrenzte Speicher- und Leistungsfähigkeiten verfügten, wurden diese im Laufe der Jahre erheblich verbessert. Die Einführung von SPS-Steuerungen hat die Planung und Implementierung industrieller Automatisierung wesentlich vereinfacht.

Wie funktionieren SPS-Steuerungen?

SPS-Steuerungen können als kleine industrielle Computer mit modularen Komponenten beschrieben werden, die zur Automatisierung von Steuerungsprozessen entwickelt wurden. Sie bilden die Grundlage nahezu aller modernen industriellen Automatisierungssysteme.

Eine SPS arbeitet in einem zyklischen Programmablauf, das heißt, sie führt ein Programm aus, das eine sich wiederholende Folge von Befehlen enthält. Dadurch kann die Steuerung kontinuierlich auf eingehende Informationen reagieren.

SPS-Steuerungen verfügen zudem über Funktionen zur Hardware- und Softwarediagnose sowie über die Möglichkeit, Daten über ihre Kommunikationsmodule und Schnittstellen zu übertragen – sowohl zwischen Systemkomponenten als auch zu Aktoren.

Speicherprogrammierbare Steuerungen sind universelle mikroprozessorgestützte Geräte, die hauptsächlich in Fabriken und Industrieanlagen eingesetzt werden. Sie ermöglichen die präzise Steuerung technologischer Prozesse, beispielsweise von Produktionslinien, Energieanlagen, Gebäudeautomatisierungssystemen oder Überwachungs- und Kontrollsystemen.

Durch ihren Einsatz kann der Betrieb von Maschinen oder technologischen Anlagen automatisch gesteuert werden, was zur Steigerung der Produktionseffizienz und zur Verbesserung der Produktqualität beiträgt.

Der Mikroprozessor analysiert und speichert zyklisch die von den Eingangsschaltungen empfangenen Informationen. Die Steuerung verarbeitet die Befehle in der Reihenfolge, in der sie im Programm abgelegt sind, erstellt daraus ein Ausgangsabbild und steuert über das Betriebssystem der SPS die Aktoren der Maschinen mittels elektrischer Impulse.

Einsatz von SPS-Steuerungen in Geräten des täglichen Gebrauchs

Im Alltag werden SPS-Steuerungen beispielsweise zur Steuerung von Ampelanlagen, Aufzügen und Rolltreppen eingesetzt. Sie finden zudem Anwendung in Systemen der Gebäudeautomation und intelligenten Häusern. Zunehmend wird in den Medien über Konzepte berichtet, bei denen Smart-Home-Systeme mithilfe von SPS realisiert werden. Im Vergleich zu einfachen Logikplatinen zeichnen sich SPS durch eine hohe Lebensdauer aus, und ihr Steuerungsprogramm kann flexibel und beliebig angepasst werden.

SPS erleichtern die Ausführung wiederkehrender Aufgaben, was zu ihrer weiten Verbreitung beiträgt. Dank einer großen Auswahl an Erweiterungsmodulen lassen sich sowohl einfache als auch hochkomplexe Steuerungssysteme mit zahlreichen Komponenten realisieren. Diese Einsatzmöglichkeiten machen SPS besonders vielseitig und funktional.

Durch intelligente Peripheriegeräte sowie Ein- und Ausgangseinheiten ist die Signalverarbeitung deutlich fortschrittlicher geworden, da sowohl analoge als auch digitale Eingangssignale verarbeitet werden können. Ein-/Ausgabegeräte mit integrierter SPS sind besonders nützlich, da sie mit HMI-Panels kompatibel sind, die auf Windows- oder Linux-Betriebssystemen basieren, und Ethernet-Konnektivität bieten.

Darüber hinaus können Ein-/Ausgabegeräte in Verbindung mit SPS eingesetzt werden, um Daten direkt von eigenen Sensoren oder von entfernten Geräten zu erfassen.

Arten von SPS-Steuerungen

Welche Arten von SPS gibt es?
Alle SPS bestehen aus den zuvor beschriebenen Komponenten, jedoch unterscheiden sie sich in ihrer Bauform. Speicherprogrammierbare Steuerungen können entweder kompakt oder modular aufgebaut sein.

Worin unterscheiden sich kompakte und modulare SPS?

Kompakte SPS
Kompakte Steuerungen sind die kleinsten und kostengünstigsten Geräte. Sie werden hauptsächlich zur Steuerung weniger komplexer Maschinen oder Anlagen eingesetzt. Auch für kleinere Produktionslinien können sie verwendet werden.

In einem einzigen Gehäuse befinden sich ein integriertes Netzteil, die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) sowie eine begrenzte Anzahl digitaler Ein- und Ausgänge oder analoger Ein- und Ausgänge. Typischerweise umfassen sie integrierte DI- und DO-Module (digitale Eingänge/Ausgänge), AI- und AO-Module (analoge Eingänge/Ausgänge), HSC (High-Speed-Counter – Hochgeschwindigkeitszähler), APM (Achsenpositionierung) sowie Anschlüsse für Temperatursensoren.

SPS und modulare Steuerungen

Modulare SPS steuern komplexe Produktionsprozesse, verfügen über größeren Datenspeicher und arbeiten in der Regel schneller bei der Verarbeitung komplexer Algorithmen. Dank individueller Konfiguration (Basismodul + Erweiterungsmodule) ist es möglich, mit einer SPS beispielsweise einen Schrittmotor zu steuern.

Modulare Steuerungen können je nach Bedarf flexibel erweitert werden, indem zusätzliche Module integriert werden. Dieser SPS-Typ ermöglicht eine mehrfache Erweiterung durch sogenannte „Module“, weshalb er als modulare SPS bezeichnet wird. Das Netzteil kann – abhängig vom jeweiligen Modell – entweder integriert oder als separates Modul ausgeführt sein.

SPS und erweiterte Klassifizierung

Es gibt viele Arten von SPS, und ihre Einteilung kann nach unterschiedlichen Kriterien erfolgen. Das Spektrum reicht von einfachen programmierbaren Relais über kompakte, modulare oder verteilte („objektbezogene“) Steuerungen bis hin zu komplexen Systemen mit Funktionen, die industriellen Computern ähneln.

Modulare SPS lassen sich zudem nach der Art ihrer Ausgänge unterteilen, nämlich in:

• Relaisausgang,

• Transistorausgang,

• Triac-Ausgang.

Eine SPS mit Transistorausgang arbeitet mit Schaltvorgängen und wird hauptsächlich in Anwendungen mit schnellen digitalen Signalen eingesetzt.

Zu den Modulen, die in typischen modularen SPS verwendet werden können, gehören unter anderem: Achspositionierungsmodul (APM), Hochgeschwindigkeitszähler (HSC), Eingangsmodule für Temperatursensoren, Energiemessmodule, PID-Reglermodule sowie zahlreiche Kommunikationsmodule für unterschiedliche industrielle Netzwerke und Protokolle.

Je nach physischer Größe werden SPS in Mini-, Micro- und Nano-PLC unterteilt. Für den ordnungsgemäßen Betrieb muss die SPS an das jeweilige Steuerungsobjekt angepasst werden.

SPS und Programmiersprachen

SPS unterscheiden sich auch hinsichtlich ihrer Programmierumgebung und ihres Aufbaus. Die Programmiersprachen für SPS lassen sich grundsätzlich in zwei Hauptgruppen einteilen: textbasierte und grafische Sprachen.

Zu den textbasierten Sprachen gehören:

• IL (Instruction List – Anweisungsliste),

• ST (Structured Text – Strukturierter Text).

Zu den grafischen Programmiersprachen zählen:

• LD (Ladder Diagram – Kontaktplan), eine Darstellungsform basierend auf Kontakten und Spulen;

• SFC (Sequential Function Chart – Ablaufkettenprogramm), bestehend aus Schritten und Übergängen;

• FBD (Function Block Diagram – Funktionsbausteinsprache), basierend auf logischen Funktionsblöcken.

Vor- und Nachteile von SPS-Steuerungen

Vorteile

SPS-Steuerungen verfügen über einen deutlichen technologischen Vorteil gegenüber klassischen Relais- und Schützschaltungen.

Was bedeutet das konkret? Einer der wichtigsten Vorteile ist, dass bei Änderungen der Steuerungslogik keine Neuverdrahtung erforderlich ist. Dies verkürzt nicht nur die Zeit für Anpassungen an einer Anlage, sondern vereinfacht den gesamten Änderungsprozess erheblich. Alle Modifikationen erfolgen innerhalb der Steuerung selbst – es müssen keine zusätzlichen Zeitrelais oder Hilfsschütze installiert werden. Das Steuerungsprogramm kann zudem kopiert und mehrfach verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Fernwartung und -diagnose. Die Programmsteuerung kann problemlos von einem anderen Standort aus erfolgen.

Moderne SPS mit Internetanbindung können aus der Ferne programmiert werden. Dies ist besonders nützlich, wenn eine Maschine bereits installiert und in Betrieb ist – für das Einspielen von Updates ist keine physische Anwesenheit eines Programmierers am Gerät erforderlich.

Darüber hinaus zeichnen sich SPS durch einen geringen Energieverbrauch und eine sehr hohe Zuverlässigkeit im Vergleich zu Relais- und Schützschaltungen aus.

Nachteile von SPS-Steuerungen

Im Vergleich zu Relais- und Schützschaltungen weisen SPS nur wenige Nachteile auf. Ein häufig genannter Nachteil ist der relativ hohe Anschaffungspreis.

Dies betrifft vor allem den Einsatz in kleinen Anlagen. Bei größeren Installationen ist der Preis einer SPS im Verhältnis zu anderen Komponenten, beispielsweise Frequenzumrichtern, jedoch vergleichsweise gering.

SPS im Alltag

Mit dem technologischen Fortschritt werden SPS-Steuerungen zunehmend leistungsfähiger und komplexer. Moderne SPS ermöglichen die Programmierung in Hochsprachen wie C++ oder Java, was ihre Flexibilität und Einsatzmöglichkeiten erheblich erweitert.

Dadurch bleiben SPS ein wichtiges Werkzeug in der Industrie, und ihre Weiterentwicklung wird kontinuierlich vorangetrieben, um noch höhere Effizienz und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Obwohl SPS in erster Linie mit der Industrie assoziiert werden, finden sie auch im Alltag Anwendung. Ihre Funktionalität und Programmierbarkeit machen sie zu einem geeigneten Instrument für die Steuerung und Automatisierung verschiedenster Prozesse im Wohn- oder Bürobereich.

Ein Beispiel ist die Gebäudeautomation. Eine SPS kann zur Automatisierung von Beleuchtung, Rollläden oder Heizsystemen eingesetzt werden. Dadurch lässt sich ein System konfigurieren, das eine komfortable und zentrale Steuerung verschiedener Haustechnikkomponenten ermöglicht, was sowohl den Komfort als auch die Zeitersparnis erhöht.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind Alarm- und Sicherheitssysteme. SPS ermöglichen die Integration verschiedener Sicherheitskomponenten wie Kameras oder Bewegungsmelder und erhöhen dadurch die Effizienz und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. So kann das Sicherheitsniveau in Wohn- oder Bürogebäuden deutlich gesteigert werden.

SPS kommen zudem in der Büroautomation zum Einsatz, wo sie die Steuerung von Geräten wie Druckern, Scannern oder Klimaanlagen übernehmen. Dadurch werden Abläufe im Büro stärker automatisiert und effizienter gestaltet.

Entwicklungsperspektiven

Die Entwicklungsperspektiven von SPS im Alltag sind vielversprechend. Mit dem technologischen Fortschritt und der zunehmenden Verbreitung des Internets der Dinge (IoT) werden SPS immer flexibler und leistungsfähiger, wodurch sich neue Einsatzmöglichkeiten eröffnen.

Ein Trend, der die Zukunft von SPS im Alltag maßgeblich beeinflussen kann, ist ihre Integration in Smart-Home-Systeme. Dadurch können Nutzer verschiedene Geräte über eine zentrale Benutzeroberfläche steuern und kontrollieren, was Komfort und Zeitersparnis deutlich erhöht.

Ein weiterer Entwicklungsbereich ist der Ausbau autonomer Systeme. Dank steigender Rechenleistung und Fortschritten im Bereich der künstlichen Intelligenz können SPS zunehmend eigenständig Entscheidungen treffen und auf veränderte Bedingungen reagieren. Dies steigert ihre Effizienz und Zuverlässigkeit erheblich.

Darüber hinaus können SPS in Bereichen wie dem Gesundheitswesen oder dem Transportwesen Anwendung finden, wo ihre Programmierbarkeit und Integrationsfähigkeit zur Automatisierung und Effizienzsteigerung verschiedener Prozesse beitragen können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zukunft von SPS im Alltag vielversprechend erscheint. Aufgrund ihrer Flexibilität und Programmiermöglichkeiten eignen sie sich zur Automatisierung zahlreicher Prozesse und tragen damit zur Steigerung von Komfort und Effizienz bei.

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

SPS sind ein zentrales Element der industriellen Automatisierung. Sie ermöglichen die Steuerung von Produktionsprozessen, steigern die Produktivität und minimieren Fehler.

Ihre Vorteile sind eindeutig, während potenzielle Nachteile nur bestimmte Aspekte betreffen. Vor allem zeichnen sich SPS durch hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit aus, was sie besonders geeignet für industrielle Anwendungen macht, in denen Maschinenstillstände erhebliche finanzielle Verluste verursachen können.

Zudem sorgt die einfache Programmierung sowie die Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Produktionsprozesse für ein hohes Maß an Flexibilität.

SPS kommen in zahlreichen Branchen zum Einsatz, darunter die Lebensmittelindustrie, die Pharmaindustrie, die Automobilbranche sowie die Energiewirtschaft. Dies unterstreicht ihre Vielseitigkeit und breite Akzeptanz.

Sie werden zur Steuerung automatisierter Produktionslinien, Dosier- und Mischsysteme sowie in Brandmeldesystemen und Qualitätskontrollsystemen eingesetzt.

Fazit

Zusammenfassend sind SPS ein unverzichtbarer Bestandteil der industriellen Automatisierung. Sie ermöglichen die präzise Steuerung unterschiedlichster Produktionsprozesse. Ihre Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Programmierfreundlichkeit machen sie zu einer weit verbreiteten und geschätzten Lösung in zahlreichen Industriezweigen.

Die Weiterentwicklung von SPS und ihren Anwendungen wird ihre Effizienz und Vielseitigkeit künftig weiter steigern. Experten gehen davon aus, dass SPS auch in Zukunft eine zentrale Rolle in der industriellen Automatisierung spielen und kontinuierlich weiterentwickelt werden, um noch höhere Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

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