Speicherprogrammierbare Steuerung: Vollständiger Leitfaden zur Funktionsweise, Typen, Programmierung und Auswahl von SPSen

Was eine speicherprogrammierbare Steuerung ist und warum die Industrie darauf vertraut

Eine 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.

Wie eine SPS funktioniert: Der Scan-Zyklus erklärt

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.

SPS-Hardwarekomponenten und ihre Funktionen

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.

Zentraleinheit (CPU)

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.

Eingabe-/Ausgabemodule (E/A).

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.

Stromversorgung

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.

Backplane und Rack

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.

Arten von SPS: Kompakte, modulare und Rack-basierte Systeme

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.

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.

SPS-Programmiersprachen gemäß IEC 61131-3

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.

Kontaktplan (LD)

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.

Funktionsblockdiagramm (FBD)

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 (ST)

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.

Sequentielles Funktionsdiagramm (SFC)

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.

Von modernen SPS unterstützte industrielle Kommunikationsprotokolle

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.

• EtherNet/IP: Das vorherrschende industrielle Ethernet-Protokoll im Allen-Bradley/Rockwell Automation-Ökosystem und weithin von E/A, Antrieben und Instrumenten von Drittanbietern unterstützt. EtherNet/IP nutzt die Standard-TCP/IP- und UDP-Infrastruktur und ermöglicht es SPSen, dasselbe physische Ethernet-Netzwerk wie Bürosysteme zu nutzen und gleichzeitig die deterministische Industrieleistung durch Verkehrsmanagement aufrechtzuerhalten. Es ist das Protokoll der Wahl für große nordamerikanische Fertigungsautomatisierungssysteme.
• PROFINET: Das von Siemens und der Organisation PROFIBUS und PROFINET International (PI) entwickelte und geförderte industrielle Ethernet-Protokoll. PROFINET ist das Standard-Kommunikations-Backbone für S7-SPS-Systeme von Siemens und wird in der gesamten europäischen Industrieautomatisierung weithin unterstützt. PROFINET IRT (Isochronous Real Time) bietet Zykluszeiten im Submillisekundenbereich für Bewegungssteuerungsanwendungen, die eine enge Synchronisierung zwischen mehreren Achsen erfordern.
• Modbus TCP/RTU: Das älteste und am häufigsten unterstützte industrielle Kommunikationsprotokoll, das in nahezu allen SPS, Instrumenten und Feldgeräten auf dem Markt verfügbar ist. Modbus ist einfach, gut dokumentiert und gebührenfrei und daher die Standardwahl für die Integration von Instrumenten und Altgeräten von Drittanbietern in moderne SPS-Systeme. Seine Einschränkungen – keine nativen Sicherheitsfunktionen, eingeschränkte Diagnosefähigkeit und Master-Slave-Architektur, die Multi-Master-Konfigurationen einschränkt – haben dazu geführt, dass es in neuen Automatisierungssystemen durch EtherNet/IP und PROFINET verdrängt wird, aber seine universelle Verfügbarkeit stellt sicher, dass es jahrzehntelang im Einsatz bleibt.
• OPC UA (Unified Architecture): Der moderne Standard für den plattformunabhängigen, sicheren Datenaustausch zwischen industriellen Automatisierungssystemen und übergeordneten Systemen wie SCADA, MES, ERP und Cloud-Plattformen. OPC UA bietet ein standardisiertes Informationsmodell, integrierte Sicherheit (Authentifizierung, Autorisierung und Verschlüsselung) und die Möglichkeit, komplexe Datenstrukturen und Beziehungen statt nur roher Registerwerte darzustellen. Die Einführung von OPC UA als Kommunikationsschnittstelle für Industrie 4.0- und IIoT-Architekturen hat die native OPC UA-Serverfähigkeit in SPS-CPUs zu einem Standardmerkmal von High-End-Automatisierungsplattformen gemacht.
• IO-Link: Ein serieller Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsstandard zum Anschluss intelligenter Sensoren und Aktoren an das SPS-E/A-System, der eine bidirektionale digitale Kommunikation ermöglicht, die zusätzlich zum primären Prozesswert den Austausch von Parametereinstellungs-, Diagnose- und Identifikationsdaten zwischen dem Feldgerät und der SPS ermöglicht. IO-Link verdrängt schnell herkömmliche 4-20-mA- und digitale I/O-Verbindungen für neue Sensor- und Aktorinstallationen, da die zusätzlichen Diagnose- und Parametrierfunktionen, die es bietet, die Inbetriebnahmezeit verkürzen und die Fähigkeit zur vorausschauenden Wartung erheblich verbessern.

Große SPS-Hersteller und ihre Ökosysteme

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.

SPS vs. DCS vs. SCADA: Die Unterschiede verstehen

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.

Wichtige Faktoren, die bei der Auswahl einer SPS für eine neue Anwendung zu bewerten sind

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.

• Anzahl und Typ der E/A: Identifizieren Sie alle erforderlichen Ein- und Ausgänge – digitale Eingänge, digitale Ausgänge, analoge Eingänge, analoge Ausgänge, Hochgeschwindigkeitszählereingänge, Impulsfolgenausgänge für Schrittmotoren – und fügen Sie eine Reservekapazität von 20 bis 25 % für zukünftige Änderungen und Ergänzungen hinzu. Stellen Sie sicher, dass das I/O-Modulsortiment für die ausgewählte SPS-Familie die spezifischen Typen und Spannungsbereiche umfasst, die für Ihre Feldgeräte benötigt werden – nicht jede SPS-Plattform bietet jede I/O-Variante und die Anpassung nicht standardmäßiger Feldgeräte an einen begrenzten I/O-Bereich erhöht die Kosten und erhöht die Komplexität.
• Anforderungen an die Verarbeitungsleistung: Bestimmen Sie, ob die Anwendung Standard-Relais-Ersatzlogik (jede moderne SPS ist ausreichend), PID-Prozesssteuerung (die meisten kompakten und modularen SPS unterstützen dies standardmäßig), Bewegungssteuerung (erfordert eine SPS mit integrierter Bewegungssteuerungsfunktion oder einen separaten Bewegungscontroller) oder Sicherheitsfunktionen (erfordert eine SIL-zertifizierte Sicherheits-SPS oder ein Sicherheitsfunktionsmodul) erfordert. Passen Sie die Spezifikation der CPU-Abtastzeit an die schnellste erforderliche Steuerungsreaktion in der Anwendung an – für Bewegungssteuerungs- oder Hochgeschwindigkeits-Zählanwendungen können Standardabtastzeiten von 5 bis 10 ms unzureichend sein.
• Kommunikationsanforderungen: Identifizieren Sie die Protokolle, die für die Verbindung mit allen anderen Geräten im System erforderlich sind – Antriebe, HMI-Panels, Instrumente, Bildverarbeitungssysteme, Roboter und Überwachungssysteme. Bestätigen Sie, dass die SPS in jeder Kommunikationsbeziehung als erforderlicher Master, Slave oder Peer fungieren kann. Wenn eine OPC UA-Konnektivität zu einem SCADA- oder MES-System erforderlich ist, prüfen Sie, ob diese nativ in der CPU vorhanden ist oder ein zusätzliches Kommunikationsmodul erfordert.
• Umgebungs- und Installationsanforderungen: Überprüfen Sie den Betriebstemperaturbereich, die IP-Schutzart (Eindringschutz) der CPU und der E/A-Module, die Vibrations- und Schockfestigkeit sowie alle für die Installationsumgebung erforderlichen spezifischen Zertifizierungen – ATEX oder IECEx für explosionsgefährdete Bereiche, Marinezertifizierungen für Offshore- oder Schiffsinstallationen oder spezifische Industriezertifizierungen für Lebensmittel- und Getränke- oder Pharmaanwendungen.
• Verfügbarkeit von Programmiersoftware und Schulungen: Bewerten Sie die Benutzerfreundlichkeit der Programmierumgebung, die Qualität der Dokumentation und die Verfügbarkeit von Schulungen für die Programmier- und Wartungsteams, die mit dem System arbeiten werden. Eine leistungsstarke SPS-Plattform, die das Ingenieurteam nicht effizient programmieren kann, liefert schlechtere Ergebnisse als ein bescheidener spezifiziertes System, mit dem das Team gut vertraut ist. Wenn das Projekt eine unbekannte Plattform umfasst, berücksichtigen Sie realistische Schulungs- und Lernzeiten im Projektplan.
• Langfristiger Support und Produktlebenszyklus: Überprüfen Sie den vom Hersteller angegebenen Produktlebenszyklus für die spezifische SPS-Familie – wie viele Jahre Verfügbarkeit und Ersatzteilsupport garantiert sind. Einige SPS-Familien wurden mit begrenzten Übergangspfaden eingestellt, sodass installierte Systeme auf veralteter Hardware verwaist sind. Bevorzugen Sie Plattformen von Herstellern mit nachweislichem Engagement für langfristigen Support und klaren Migrationspfaden, wenn eventuelle Produktänderungen erforderlich sind. Überprüfen Sie, ob es sich bei den ausgewählten CPU- und I/O-Modulen um aktuelle Produktionsartikel oder ältere Produkte handelt, die sich dem Ende ihrer Lebensdauer nähern.

SPS-Wartung, Fehlerbehebung und Lebenszyklusmanagement

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.

• Programmsicherung und Versionskontrolle: Bewahren Sie aktuelle, verifizierte Backups aller SPS-Programme und Konfigurationsdateien in einem sicheren, versionierten Repository auf. Eine SPS, die ihr Programm aufgrund eines Batterieausfalls, eines CPU-Ausfalls oder eines unbeabsichtigten Überschreibens verliert, kann eine Produktionslinie vollständig zum Stillstand bringen, bis das Programm wiederhergestellt ist. Testen Sie den Wiederherstellungsvorgang aus der Sicherung mindestens einmal jährlich, um sicherzustellen, dass die Sicherung abgeschlossen ist und der Wiederherstellungsprozess ordnungsgemäß funktioniert.
• Batteriewartung: Die meisten SPS-CPUs verwenden eine Lithiumbatterie, um den Programmspeicher und die Echtzeituhrwerte bei Stromausfällen aufrechtzuerhalten. Die Batterielebensdauer beträgt in der Regel drei bis fünf Jahre, und die meisten CPUs geben vor einem Ausfall ein Warnsignal bei niedrigem Batteriestand aus. Ersetzen Sie die Batterien regelmäßig – bei kritischen Anwendungen jährlich – anstatt auf den Alarm bei niedrigem Batteriestand zu warten, der nicht genügend Spielraum für ungeplante längere Ausfälle lässt.
• Firmware-Updates: SPS-Hersteller veröffentlichen regelmäßig Firmware-Updates, die Sicherheitslücken schließen, Fehler beheben und Funktionen hinzufügen. Richten Sie einen Prozess zur Bewertung und Anwendung von Firmware-Updates ein – nicht jedes Update sollte sofort in Produktionssystemen angewendet werden, aber das Ignorieren aller Updates birgt Sicherheitsrisiken und kann dazu führen, dass bekannte Fehler nicht behoben werden. Testen Sie Firmware-Updates auf einem Nicht-Produktionssystem, bevor Sie sie auf Produktions-SPS anwenden.
• Ersatzteilmanagement: Führen Sie einen Ersatzteilbestand, der der Kritikalität des kontrollierten Prozesses entspricht. Halten Sie von jedem CPU-Modul und den am häufigsten verwendeten E/A-Modultypen mindestens ein Reservemodul bereit. Halten Sie bei kritischen Anwendungen, bei denen die Kosten für Ausfallzeiten sehr hoch sind, komplette Ersatz-Racks oder -Systeme in einem einsatzbereiten Zustand bereit. Der richtige Ansatz für Ersatzteile besteht darin, die maximal akzeptable Ausfallzeit für das System zu bestimmen und rückwärts zu ermitteln, welcher Ersatzteilbestand erforderlich ist, um dieses Ziel zu erreichen.
• Härtung der Cybersicherheit: SPS-Systeme, die mit Anlagennetzwerken und darüber hinaus verbunden sind, werden zunehmend zum Ziel von Cyberangriffen – der Stuxnet-Vorfall hat gezeigt, dass sogar isolierte industrielle Steuerungssysteme kompromittiert werden können. Zur grundlegenden Cybersicherheitshygiene für SPS-Systeme gehört die Netzwerksegmentierung (Isolierung des Kontrollnetzwerks vom IT-Unternehmensnetzwerk hinter einer entmilitarisierten Zone), das Deaktivieren ungenutzter Kommunikationsports und Dienste auf der SPS-CPU, die Implementierung von Benutzerzugriffskontrollen und Passwortrichtlinien für Programmiersoftware sowie die Überwachung des Netzwerkverkehrs auf Anomalien mithilfe industrieller Einbruchmeldesysteme.