1. Einführung in AC-Antriebe (Frequenzumrichter) Im Bereich der modernen industriellen Steuerung und......
LESEN SIE MEHREine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein robuster Industriecomputer, der speziell dafür entwickelt wurde, Eingaben von Sensoren und Feldgeräten zu überwachen, ein gespeichertes Steuerprogramm auszuführen und Ausgaben – wie Motoren, Ventile, Aktoren und Anzeigen – in Echtzeit zu steuern. Im Gegensatz zu einem Allzweckcomputer ist eine SPS so konstruiert, dass sie in rauen Industrieumgebungen, die durch elektrisches Rauschen, Vibrationen, extreme Temperaturen und Staub gekennzeichnet sind, zuverlässig arbeitet und gleichzeitig Steuerprogramme mit deterministischem Timing ausführt – das bedeutet, dass die Steuerung ihren Scanzyklus unabhängig von den Prozessbedingungen in einer vorhersehbaren, wiederholbaren Zeit abschließt. Diese Kombination aus industrieller Härtung und Echtzeit-Determinismus macht SPS weltweit zum Standard-Automatisierungscontroller in der Fertigung, in der Prozessindustrie, in Versorgungsunternehmen, in der Gebäudeautomation und in der Infrastruktur.
Die SPS wurde in den späten 1960er-Jahren speziell entwickelt, um die großen Reihen elektromechanischer Relais zu ersetzen, die die Montagelinien in der Automobilindustrie steuerten – Systeme, deren Installation teuer war, die eine erhebliche Neuverkabelung erforderten und eine ständige Wartung erforderten, da die Relaiskontakte abgenutzt waren und ausfielen. Durch den Ersatz der physischen Relaislogik durch ein programmierbares, softwarebasiertes Äquivalent ermöglichte die SPS den Produktionsingenieuren, das Maschinenverhalten durch Änderung eines Programms zu ändern, anstatt eine Schalttafel neu zu verkabeln, was den Zeit- und Kostenaufwand für Produktionsumstellungen drastisch reduzierte. Sechzig Jahre später bleibt das Kernkonzept unverändert, aber modern speicherprogrammierbare Steuerungen haben sich vom einfachen Relaisersatz zu anspruchsvollen Automatisierungsplattformen entwickelt, die Hochgeschwindigkeits-Bewegungssteuerung, Prozesssteuerung, Sicherheitsfunktionen, Bildverarbeitungsintegration und industrielle Netzwerkkommunikation über komplexe Multisystemarchitekturen hinweg unterstützen.
Das grundlegende Funktionsprinzip einer speicherprogrammierbaren Steuerung ist der Scan-Zyklus – eine sich wiederholende Abfolge von Vorgängen, die die SPS kontinuierlich ausführt, solange sie sich im Betriebsmodus befindet. Das Verständnis des Abtastzyklus ist wichtig, um zu verstehen, wie sich eine SPS verhält, insbesondere bei zeitkritischen Anwendungen, bei denen die Reaktionszeit auf eine Eingangsänderung darüber entscheidet, ob das Steuerungssystem ordnungsgemäß funktioniert.
Ein Standard-SPS-Abtastzyklus besteht aus vier aufeinanderfolgenden Phasen. Zunächst liest der Eingangsscan den aktuellen Zustand aller angeschlossenen digitalen und analogen Eingänge – Sensoren, Schalter, Encoder, Sender – und kopiert diese Werte in ein Eingangsbildregister im Speicher. Zweitens führt der Programmscan das im Speicher gespeicherte Steuerprogramm aus und verwendet dabei die Eingangsbildwerte (keine Live-Eingangsmesswerte), um logische Bedingungen auszuwerten und den erforderlichen Zustand der Ausgänge zu bestimmen. Drittens schreibt der Ausgabescan die vom Programm ermittelten Ausgabebildwerte auf die physische Ausgabehardware und aktiviert oder deaktiviert die angeschlossenen Geräte. Viertens kümmert sich die Verwaltungsphase um die Kommunikation, Selbstdiagnose und Aktualisierung interner Timer und Zähler, bevor sich der Zyklus wiederholt.
Die zum Abschließen eines Scan-Zyklus erforderliche Zeit – die Scan-Zeit – beträgt für die meisten Standardanwendungen typischerweise 1 bis 10 Millisekunden, nimmt jedoch mit der Programmkomplexität und der Anzahl der E/A-Punkte zu. Die Scan-Zyklus-Architektur bedeutet, dass Änderungen im Eingangszustand erst im nächsten Scan-Zyklus berücksichtigt werden, was zu einer maximalen Latenz von einem Scan-Zyklus in der Steuerantwort führt. Für die meisten industriellen Automatisierungsanwendungen ist diese Latenz völlig akzeptabel. Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen – Servobewegungssteuerung, Hochfrequenzzählung oder Sicherheitsfunktionen, die eine Reaktion im Submillisekundenbereich erfordern – werden spezielle Interrupt-Routinen, dedizierte Bewegungsprozessoren oder separate Sicherheits-SPS verwendet, um die standardmäßige Latenz des Abtastzyklus zu umgehen.
Ein SPS-System besteht aus mehreren unterschiedlichen Hardwarekomponenten, die zusammen die komplette Automatisierungssteuerung bilden. Das Verständnis der Funktion jeder Komponente verdeutlicht, wie ein SPS-System spezifiziert, zusammengebaut und gewartet wird.
Das CPU-Modul ist das Gehirn der SPS – es enthält den Prozessor, der das Steuerungsprogramm ausführt, den Speicher, der das Programm und die Daten speichert, sowie die Kommunikationsschnittstellen, die eine Verbindung zu Programmiertools und anderen Automatisierungssystemen herstellen. Die CPU-Fähigkeit wird durch die Verarbeitungsgeschwindigkeit (Abtastzeit pro 1.000 Anweisungen der Kontaktplanlogik), die Programmspeicherkapazität (typischerweise Kilobyte bis Megabyte je nach SPS-Klasse), den Datenspeicher zum Speichern von Variablenwerten und Prozessdaten sowie den Bereich der unterstützten Kommunikationsprotokolle charakterisiert. High-End-CPU-Module enthalten außerdem Echtzeituhren, Datenprotokollierungsfunktionen und integrierte OPC UA- oder MQTT-Server für die direkte Verbindung mit industriellen IoT- und Cloud-Systemen ohne zusätzliche Hardware.
E/A-Module sind die physische Schnittstelle zwischen der SPS und den Feldgeräten – Sensoren, Schalter, Ventile, Motoren und Instrumente –, die das Steuerungssystem überwacht und steuert. Digitale Eingangsmodule empfangen Ein-/Aus-Signale von Geräten wie Näherungssensoren, Drucktasten und Endschaltern und wandeln die Spannung auf Feldebene (typischerweise 24 VDC oder 120/240 VAC) in ein Logikpegelsignal um, das die CPU lesen kann. Digitale Ausgangsmodule schalten Strom an Feldgeräte wie Magnetventile, Motorstarter und Anzeigelampen. Analoge Eingangsmodule wandeln kontinuierlich variable Signale – 4-20-mA-Stromschleifen, 0-10-V-Spannungssignale, Thermoelementspannungen, RTD-Widerstandswerte – in digitale Werte um, die die CPU verarbeiten kann. Analoge Ausgangsmodule wandeln digitale Werte von der CPU in proportionale analoge Signale zur Steuerung von Antrieben mit variabler Geschwindigkeit, Proportionalventilen und anderen kontinuierlich variablen Geräten um. Zu den speziellen E/A-Modulen gehören Hochgeschwindigkeitszählereingänge für Encoder-Feedback, serielle Kommunikationsmodule und sicherheitsbewertete E/A für funktionale Sicherheitsanwendungen.
Das SPS-Stromversorgungsmodul wandelt den eingehenden Netzstrom (normalerweise 120 VAC oder 240 VAC) oder den DC-Bus-Strom in die geregelten Gleichspannungen um, die von der CPU und den E/A-Modulen benötigt werden. Bei der Auswahl des Netzteils muss die Ausgangsstromkapazität an den Gesamtstromverbrauch aller Module im Rack oder System angepasst werden, mit einem Spielraum von mindestens 20 bis 30 % für Zuverlässigkeit und zur Anpassung an zukünftige Erweiterungen. Redundante Stromversorgungskonfigurationen – bei denen zwei Stromversorgungsmodule parallel mit automatischem Failover laufen – sind Standard in Hochverfügbarkeitssystemen, in denen ein ungeplantes Herunterfahren aufgrund eines Stromversorgungsausfalls unannehmbar kostspielig wäre.
In Rack-montierten modularen SPS-Systemen ist die Rückwandplatine die Leiterplatte, die die CPU, das Netzteil und die E/A-Module mechanisch trägt und elektrisch verbindet. Die Rückwandplatine überträgt den internen Datenbus, die Stromverteilung und in einigen Systemen die Echtzeit-Synchronisationssignale, die für den koordinierten Betrieb mehrerer Module erforderlich sind. Die Rackgröße – angegeben durch die Anzahl der Modulsteckplätze – bestimmt, wie viele E/A-Module in einem einzelnen Rack installiert werden können. Bei Systemen, die mehr E/A erfordern, als ein einzelnes Rack aufnehmen kann, werden mehrere Racks über Erweiterungskabel oder Remote-E/A über ein industrielles Netzwerk verbunden.
SPS werden in verschiedenen Formfaktoren hergestellt, die für unterschiedliche Größen- und Komplexitätsanforderungen geeignet sind. Bei der Auswahl des geeigneten SPS-Formfaktors für eine Anwendung geht es darum, die E/A-Kapazität, Erweiterbarkeit und Verarbeitungsfähigkeit der Steuerung an die aktuellen und prognostizierten zukünftigen Anforderungen der zu steuernden Maschine oder des zu steuernden Prozesses anzupassen.
| SPS-Typ | Typische E/A-Anzahl | Erweiterbarkeit | Am besten geeignete Anwendungen | Beispielprodukte |
| Nano-/Mikro-SPS | 6 – 40 E/A | Begrenzt oder nicht | Einfache Maschinen, OEM-Ausrüstung, Relaisaustausch | Siemens LOGO!, Omron CP1E |
| Kompakte SPS | 20 – 256 E/A | Erweiterungsmodule verfügbar | Kleine bis mittlere Maschinen, Verpackung, HVAC | Allen-Bradley Micro820, Siemens S7-1200 |
| Modulare SPS | 64 – 4.096 E/A | Hoch erweiterbar mit Remote-I/O | Komplexe Maschinen, Produktionslinien, Prozessanlagen | Siemens S7-1500, Allen-Bradley ControlLogix |
| Rackbasierte SPS | 256 – 65.000 E/A | Mehrere Racks, verteilte E/A | Große Prozessanlagen, Stromerzeugung, DCS-äquivalente Steuerung | Allen-Bradley PLC-5, GE RX3i, Schneider Premium |
| Sicherheits-SPS (SIL-zertifiziert) | Variiert | Erweiterbar mit Sicherheits-I/O | Not-Aus, Sicherheitsverriegelung, SIL 1-3-Funktionen | Pilz PSS 4000, Siemens S7-1500F, AB GuardLogix |
Die Kompakt-SPS-Kategorie hat sich zum bedeutendsten Wachstumsbereich auf dem SPS-Markt entwickelt, angetrieben durch die Produktklassen Siemens S7-1200 und Allen-Bradley Micro820, die Funktionen bieten, die bisher nur mit modularen Systemen in Originalgröße verbunden waren – einschließlich Bewegungssteuerung, PID-Prozesssteuerung und Ethernet-basierter industrieller Kommunikation – in einem kleinen Formfaktor, der für die Schalttafelmontage ohne spezielles Rack geeignet ist. Für neue Maschinenautomatisierungsprojekte mit E/A-Anzahlen unter 200 Punkten ist für die meisten Automatisierungsingenieure heute eine kompakte modulare SPS der Standardausgangspunkt und nicht die größeren Rack-basierten Systeme, die vor einem Jahrzehnt notwendig waren.
Die SPS-Programmierung ist unter IEC 61131-3 standardisiert, die fünf Programmiersprachen definiert, die kompatible SPS-Entwicklungsumgebungen unterstützen müssen. Unterschiedliche Sprachen eignen sich für unterschiedliche Arten von Steuerlogik und unterschiedliche technische Hintergründe, und die meisten modernen SPS-Programmiertools ermöglichen die Verwendung mehrerer Sprachen in einem einzigen Projekt, sodass Ingenieure für jeden Abschnitt des Programms die am besten geeignete Sprache auswählen können.
Das Kontaktplandiagramm ist die am weitesten verbreitete SPS-Programmiersprache, insbesondere in Nordamerika und in diskreten Fertigungsumgebungen. Die grafische Darstellung ahmt die Relaislogikdiagramme nach, die SPS ursprünglich ersetzen sollten – horizontale Logiksprossen verbinden linke und rechte Stromschienen, wobei normalerweise offene und normalerweise geschlossene Kontaktsymbole Eingangsbedingungen und Spulensymbole Ausgangsbefehle darstellen. Die Kontaktplanlogik ist für Elektroingenieure, die mit Relaisschaltplänen vertraut sind, intuitiv und lässt sich leicht lesen und online beheben (wenn sich die SPS im Betriebsmodus befindet, werden aktive Elemente in der Programmiersoftware hervorgehoben, sodass Fehlerbedingungen visuell verfolgt werden können). Die Einschränkung des Kontaktplans besteht darin, dass es für komplexe mathematische Operationen, Datenmanipulation und sequentielle Programmierung, die in textbasierten Sprachen natürlicher ausgedrückt werden, unhandlich wird.
Das Funktionsblockdiagramm stellt die Steuerlogik als miteinander verbundene grafische Blöcke dar – jeder Block kapselt eine bestimmte Funktion (UND-Gatter, PID-Regler, Zähler, Timer, Motorfunktionsblock), wobei Eingangs- und Ausgangsverbindungen als Drähte zwischen Blöcken dargestellt werden. FBD ist die vorherrschende Sprache in Prozesssteuerungsanwendungen – sie lässt sich auf natürliche Weise auf die Darstellung von Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagrammen (P&ID) abbilden, die Prozessingenieuren vertraut ist, und die Kapselung komplexer Funktionen (PID-Schleifen, Ventilsteuerung, Motorschutz) in standardisierten wiederverwendbaren Funktionsblöcken reduziert den Programmieraufwand in Prozessanlagenanwendungen erheblich. Die meisten prozess- und sicherheitsorientierten SPS-Plattformen bieten umfangreiche Bibliotheken mit IEC 61511-konformen Funktionsbausteinen für gängige Prozesssteuerungs- und Sicherheitsfunktionen.
Strukturierter Text ist eine textbasierte Hochsprache, die syntaktisch Pascal oder C ähnelt und bedingte Anweisungen, Schleifen, mathematische Ausdrücke, Zeichenfolgenverarbeitung und komplexe Datenstrukturen unterstützt, die in grafischen Sprachen umständlich oder unmöglich sind. ST wird zunehmend von Automatisierungsingenieuren mit Softwareentwicklungshintergrund verwendet und ist die bevorzugte Sprache für komplexe Datenverarbeitung, Rezeptverwaltung, Kommunikationsabwicklung und alle Anwendungen, die eine anspruchsvolle algorithmische Logik erfordern, die grafische Sprachen nicht effizient ausdrücken können. Die Definition von strukturiertem Text in der Norm IEC 61131-3 hat ihn wirklich portierbar zwischen verschiedenen SPS-Plattformen gemacht – Code, der in ST für die SPS einer Marke geschrieben wurde, kann mit relativ geringen Änderungen an die Plattform einer anderen Marke angepasst werden, im Gegensatz zu Kontaktplan-Code, der tendenziell herstellerspezifische Anweisungen und Konventionen verwendet.
Das sequentielle Funktionsdiagramm stellt Steuerprogramme als Flussdiagramm von Schritten und Übergängen dar – jeder Schritt enthält Aktionen (programmiert in KOP, FUP oder ST) und jeder Übergang definiert die Bedingung, die erfüllt sein muss, damit das Programm zum nächsten Schritt übergeht. SFC ist die natürliche Sprache für Sequenzierungsanwendungen – Waschmaschinenzyklen, Batch-Prozesssequenzen, mehrstufige Montagevorgänge und alle Anwendungen, bei denen eine Maschine eine definierte Reihe von Vorgängen der Reihe nach ausführen muss. Das Programmieren eines komplexen sequentiellen Prozesses im Kontaktplan führt zu großen, schwer verständlichen Programmen. Dieselbe in SFC ausgedrückte Sequenz ist sofort als Prozessablauf lesbar und wesentlich einfacher zu debuggen und zu ändern.
Moderne speicherprogrammierbare Steuerungen sind sowohl Netzwerkgeräte als auch Automatisierungssteuerungen. Die Kommunikationsfähigkeiten einer SPS bestimmen, wie sie sich in andere Automatisierungsgeräte, Überwachungssysteme, Unternehmensdatenbanken und Cloud-Plattformen integrieren lässt – ein immer wichtigerer Gesichtspunkt, da sich die industrielle Automatisierung hin zu vernetzten Industrie 4.0-Architekturen weiterentwickelt.
Der SPS-Markt wird von einer kleinen Anzahl großer Automatisierungsunternehmen dominiert, von denen jedes ein komplettes Ökosystem aus SPS-Hardware, Programmiersoftware, E/A-Modulen, Antrieben, HMI-Panels und Kommunikationsinfrastruktur bietet, die auf eine nahtlose Zusammenarbeit ausgelegt sind. Die Wahl einer SPS eines bestimmten Herstellers bedeutet in der Regel, dass man sich für das vollständige Automatisierungssystem auf das Ökosystem dieses Herstellers verlässt, was erhebliche Auswirkungen auf Integration, Ersatzteile, Schulung und langfristigen Support hat.
| Hersteller | Wichtige SPS-Familien | Programmierumgebung | Primäres Industrienetzwerk | Marktstärke |
| Siemens | S7-1200, S7-1500, S7-300/400 | TIA-Portal (Schritt 7) | PROFINET, PROFIBUS | Europa, globale Prozessindustrien |
| Rockwell Automation (Allen-Bradley) | ControlLogix, CompactLogix, Micro820 | Studio 5000 Logix Designer | EtherNet/IP, DeviceNet | Nordamerika, Automobil, Lebensmittel und Getränke |
| Mitsubishi Electric | MELSEC iQ-R, iQ-F, Q-Serie | GX Works3 | CC-Link IE, SLMP | Asien-Pazifik, Automobil, Halbleiter |
| Schneider Electric | Modicon M580, M340, TM-Serie | Experte für EcoStruxure-Steuerung | Modbus TCP, EtherNet/IP | Prozessindustrie, Energie, Infrastruktur |
| Omron | NX-, NJ-, CP-Serie | Sysmac Studio | EtherNet/IP, EtherCAT | Asien, Maschinenautomatisierung, Bewegungssteuerung |
SPS werden häufig neben verteilten Steuerungssystemen (DCS) und SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition) diskutiert, und die Grenzen zwischen diesen Kategorien haben sich im Zuge der technologischen Weiterentwicklung erheblich verwischt. Um die richtige Automatisierungsarchitektur für eine bestimmte Anwendung festzulegen, ist es wichtig, die Unterschiede zu verstehen – und wo sie zusammenlaufen.
Ein verteiltes Steuerungssystem ist eine Automatisierungsarchitektur, bei der Steuerungsfunktionen auf mehrere Steuerungen verteilt sind, die in der Nähe des zu steuernden Prozesses eingesetzt werden und alle über ein hochzuverlässiges Anlagennetzwerk mit einem zentralen Überwachungssystem verbunden sind. DCS-Systeme wurden für große kontinuierliche Prozessanwendungen entwickelt – Öl und Gas, Petrochemie, Stromerzeugung, pharmazeutische Produktion –, bei denen in einer großen physischen Anlage Tausende von analogen Regelkreisen, eine komplexe Verriegelungslogik und ein umfassendes Alarmmanagement erforderlich sind. DCS-Systeme legen Wert auf hohe Verfügbarkeit (standardmäßig redundante Steuerungen, E/A, Stromversorgung und Netzwerke), umfassende Prozessdaten-Archivierungsfunktionen und integrierte Bedienerstationsanzeigen. Der Unterschied zwischen einem modernen modularen High-End-SPS-System und einem DCS der Einstiegsklasse ist in Bezug auf die Funktionalität mittlerweile marginal – die Hauptunterschiede liegen in der Softwareumgebung, dem Anwendungsschwerpunkt des Anbieters und dem kommerziellen Modell.
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) bezieht sich speziell auf die Überwachungsebene – das Softwaresystem, das Daten von SPSen und anderen Feldsteuerungen sammelt, den Bedienern Prozessinformationen über grafische HMI-Anzeigen präsentiert, historische Daten protokolliert und möglicherweise Sollwertbefehle an die Steuerungen zurücksendet. SCADA ist kein Ersatz für eine SPS – es ist die Schicht über der SPS, die für die menschliche Überwachung und Datenverwaltung sorgt. Eine typische industrielle Automatisierungsarchitektur kombiniert SPS auf Maschinen- oder Prozesssteuerungsebene, ein industrielles Netzwerk, das Daten zwischen SPS und Überwachungssystemen überträgt, und ein SCADA- oder MES-System, das eine Bedienerschnittstelle, historische Daten und die Integration mit Geschäftssystemen bereitstellt.
Die Auswahl der richtigen speicherprogrammierbaren Steuerung für eine neue Maschine oder Prozesssteuerungsanwendung erfordert die Bewertung einer Reihe technischer und kommerzieller Faktoren, die zusammen bestimmen, ob das System seine funktionalen Anforderungen erfüllt, termingerecht geliefert wird und während seiner gesamten Betriebslebensdauer unterstützt werden kann. Das folgende Rahmenwerk deckt die wichtigsten Bewertungskriterien ab.
Ein SPS-System im Dauerbetrieb erfordert proaktive Wartung und Lebenszyklusmanagement, um die Zuverlässigkeit aufrechtzuerhalten und ungeplante Ausfallzeiten zu vermeiden. Die folgenden Vorgehensweisen gehören zum Standard in gut geführten Automatisierungstechnikbetrieben.