Was ist eine SPS und welche Power steckt dahinter?

Die SPS-Steuerung (Speicherprogrammierbare Steuerung) stellt eine Art von digitalem System dar, welches in der Automatisierungstechnik zur Steuerung von Maschinen und Prozessen zum Einsatz gelangt. Das System besteht aus Hardwarekomponenten, wie Eingabe- und Ausgabegeräten, sowie einer programmierbaren Logik, deren Steuerung über verschiedene Programmiersprachen, wie KOP, FUP oder AWL, erfolgt. SPS-Systeme spielen eine zentrale Rolle in der Industrieautomatisierung, da sie sich flexibel an verschiedene Steuerungsaufgaben anpassen lassen und eine verlässliche, reproduzierbare Steuerung gewährleisten.

Grundlagen zum Thema SPS

Die Grundlagen der SPS-Steuerung umfassen die Basisprinzipien sowie die wesentlichen Komponenten, welche für das Verständnis eines SPS-Systems erforderlich sind. In diesem Kontext sind insbesondere die Definition, Funktion und Architektur von SPS-Systemen von Relevanz. Dies umfasst ebenfalls die Ein- und Ausgabemodule, die CPU sowie die Speicherstruktur. Die genannten Grundlagen bilden das Fundament für das Verständnis der Arbeitsweise, der Programmierung sowie der Bedeutung der SPS in der Automatisierungstechnik:

• Die Definition von SPS: Der Begriff "SPS" steht für "Speicherprogrammierbare Steuerung" und bezeichnet ein digitales, elektronisches System, das zur Steuerung von Maschinen und Prozessen in der Industrieautomatisierung zum Einsatz kommt. Eine SPS ist ein programmierbares System, welches auf der Grundlage von Eingangsdaten logische Steuerungsaufgaben übernimmt und die entsprechenden Ausgänge steuert. Sie ersetzt herkömmliche, verdrahtete Steuerungen durch flexible, softwarebasierte Lösungen und bietet somit eine zuverlässige und effiziente Steuerung in verschiedenen Anwendungen.
• Die Komponenten einer SPS stellen die zentralen Bausteine dar, welche die Funktionsweise eines SPS-Systems ermöglichen. Die CPU (Zentraleinheit) ist für die Verarbeitung der Daten sowie die Steuerung der Abläufe zuständig. Des Weiteren gehören die Ein- und Ausgabemodule (E/A-Module) zur Hardware-Ausstattung, welche Signale von Sensoren und Aktoren empfangen und weiterleiten. Der Speicher dient der Ablage des Steuerungsprogramms sowie der Betriebsdaten. Weitere wesentliche Komponenten sind das Netzteil zur Stromversorgung sowie Kommunikationsmodule für die Vernetzung mit anderen Systemen.
• Die Funktion und Arbeitsweise einer SPS lässt sich wie folgt beschreiben: Das System verarbeitet Daten und führt Steuerungsaufgaben aus. Eine SPS empfängt Eingangssignale von Sensoren, verarbeitet diese gemäß einem vorprogrammierten Steuerungsprogramm und gibt daraufhin entsprechende Steuersignale an Aktoren aus. Der Zyklus der Datenverarbeitung erfolgt in einem festgelegten Ablauf, welcher die Phasen Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe umfasst. Die deterministische Arbeitsweise gewährleistet eine präzise und reproduzierbare Steuerung von Prozessen in der Automatisierung.

Die Programmierung einer SPS umfasst die Erstellung von Steuerungsprogrammen, welche den Ablauf und die Logik der Automatisierungsprozesse definieren. Die Erstellung dieser Programme erfolgt in speziellen Programmiersprachen, wie beispielsweise KOP (Kontaktplan), FUP (Funktionsplan) oder AWL (Anweisungsliste). Die Programmierung erfolgt in einer Entwicklungsumgebung, in der der Programmierer Logikverknüpfungen, Zeitsteuerungen und Abläufe definiert, welche anschließend auf die SPS übertragen werden. Die Programmierung legt fest, wie die SPS auf Eingangssignale reagiert und Ausgänge steuert.

Welche Programmiersprachen braucht man für eine SPS?

Die Programmiersprachen für SPS, wie KOP (Kontaktplan), FUP (Funktionsplan) und AWL (Anweisungsliste), sind spezifische Sprachen, die zur Erstellung von Steuerungsprogrammen für SPS-Systeme verwendet werden. KOP basiert auf der Darstellung von Schaltplänen, FUP verwendet Funktionsbausteine, während AWL eine textbasierte Sprache ist, die der Assemblersprache ähnelt. Jede dieser Sprachen bietet unterschiedliche Vorteile und wird je nach Anwendung, Präferenz und Komplexität des Steuerungsauftrags eingesetzt.

Programmierumgebungen und Tools für SPS

Die Programmierumgebungen und Tools für SPS stellen spezielle Softwareplattformen dar, welche Entwicklern die Erstellung, Simulation und Übertragung von Steuerungsprogrammen auf eine SPS ermöglichen. Zu den bekannten Tools zählen beispielsweise das Siemens TIA Portal sowie Codesys. Sie zeichnen sich durch eine benutzerfreundliche Oberfläche sowie integrierte Funktionen für die Programmierung, Diagnose und Inbetriebnahme von SPS-Systemen aus. Zudem unterstützen diese Umgebungen mehrere SPS-Programmiersprachen, was die effiziente Entwicklung und Wartung von Steuerungsprogrammen erleichtert.

Beispiel für ein einfaches SPS-Programm:

Hier ist ein einfaches Beispiel für eine SPS-Programmierung zur Steuerung eines Förderbands:

Eingänge:

• I0.0: Start-Taster
• I0.1: Stop-Taster
• I0.2: Lichtschranke Einlauf
• I0.3: Lichtschranke Auslauf

Ausgänge:

• Q0.0: Förderband-Motor

Programmcode in FUP:

Funktionsweise:

1. Das Förderband wird durch Drücken des Start-Tasters eingeschaltet.
2. Der Motor läuft weiter, bis der Stop-Taster betätigt wird.
3. Wenn ein Objekt die Einlauf-Lichtschranke passiert, startet das Band automatisch.
4. Das Band stoppt, sobald das Objekt die Auslauf-Lichtschranke erreicht hat.

Dieses einfache Beispiel demonstriert grundlegende Konzepte der SPS-Programmierung:

• Verwendung von digitalen Ein- und Ausgängen
• Logische Verknüpfungen (UND, ODER)
• Selbsthaltung für den Motor
• Automatische Steuerung basierend auf Sensorinformationen

In der Praxis würde man das Programm noch um weitere Funktionen erweitern, wie z.B. Fehlererkennung, Geschwindigkeitsregelung oder Zählerfunktionen. Die genaue Implementierung hängt von der verwendeten SPS-Hardware und Programmierumgebung ab.

Wo kommen SPS-Systeme in der Industrie zum Einsatz?

Die Einsatzgebiete von SPS (Speicherprogrammierbare Steuerungen) sind vielfältig und umfassen sowohl die industrielle Automatisierung als auch die Steuerung von Gebäuden. SPS-Systeme finden häufig Anwendung in Fertigungsprozessen, beispielsweise zur Steuerung von Maschinen in der Automobilproduktion, von Verpackungsanlagen oder von Förderbändern. Auch im Kontext der Gebäudeautomation, beispielsweise bei der Steuerung von Beleuchtungs- und Klimaanlagen, spielen sie eine signifikante Rolle. Ihr Einsatz ist überall dort erforderlich, wo präzise Steuerungen und Automatisierungen von Prozessen erforderlich sind.

Die Automatisierungstechnik stellt ein zentrales Einsatzgebiet der SPS-Steuerungen dar. Sie umfasst die automatisierte Steuerung und Regelung von Maschinen, Anlagen und Prozessen. Die Automatisierungstechnik findet in der Industrie Anwendung, um Produktionsprozesse hinsichtlich ihrer Effizienz, Sicherheit und Kostenoptimierung zu optimieren. Der Einsatz von SPS-Systemen ermöglicht die zuverlässige und reproduzierbare Automatisierung von Aufgaben wie der Steuerung von Fertigungsstraßen, Robotern oder Transportbändern.

Fertigungsprozesse stellen ein weiteres zentrales Einsatzgebiet von SPS-Steuerungen dar. In der Industrie finden SPS-Systeme Anwendung bei der Steuerung diverser Maschinen und Anlagen, die in den Prozess der Produktion involviert sind. Sie überwachen, koordinieren und steuern Abläufe, die das Zusammenbauen, Bearbeiten oder Verpacken von Produkten umfassen. Der Einsatz von SPS ermöglicht die Automatisierung, Optimierung und effiziente Gestaltung von Fertigungsprozessen, was zu einer Steigerung der Produktivität und Qualitätssicherung führt.

Die Gebäudeautomation bezeichnet die automatische Steuerung und Überwachung von technischen Anlagen und Systemen in Gebäuden. Dazu zählen unter anderem Heizung, Lüftung, Klimatisierung, Beleuchtung sowie Sicherheitssysteme. Der Einsatz von SPS-Systemen in der Gebäudeautomation ermöglicht die zentrale Steuerung und Optimierung der genannten Prozesse, was zu einer gesteigerten Energieeffizienz, einem höheren Komfort und mehr Sicherheit führt. Der Einsatz von SPS-Systemen erlaubt die nahtlose Vernetzung verschiedener Systeme in einem Gebäude sowie die Schaffung automatisierter Abläufe.

Die Vernetzung und Kommunikation stellen wesentliche Aspekte moderner SPS-Systeme dar, da sie die Integration von SPS-Steuerungen in größere Automatisierungsnetzwerke ermöglichen. Der Austausch von Daten zwischen SPS-Systemen, anderen Steuerungen, Maschinen und übergeordneten Systemen kann mittels Kommunikationsprotokollen wie Profibus, CAN-Bus oder Industrial Ethernet realisiert werden. Die Vernetzung ermöglicht eine effiziente Überwachung, Steuerung und Optimierung von Produktionsprozessen in Echtzeit sowie eine nahtlose Integration in industrielle IoT-Anwendungen.

Die Fehlersuche und Diagnose in SPS-Systemen stellt einen entscheidenden Prozess dar, durch den sichergestellt werden kann, dass Steuerungsabläufe reibungslos funktionieren und potenzielle Probleme zeitnah identifiziert und behoben werden können. Durch den Einsatz spezifischer Diagnosewerkzeuge und Überwachungsfunktionen ist eine Identifikation von Fehlern in den SPS-Programmen, der Hardware sowie der Kommunikation möglich. Moderne SPS-Systeme verfügen über integrierte Diagnosemöglichkeiten, welche es Technikern ermöglichen, Probleme in Echtzeit zu überwachen und zu beheben, um Ausfallzeiten zu minimieren.

Welche Überwachungs- und Diagnosetools für SPS gibt es?

Die Verwendung von Überwachungs- und Diagnosetools stellt ein wesentliches Instrumentarium zur Echtzeitüberwachung von Prozessen sowie zur Fehlerdiagnose in SPS-Systemen dar. Die genannten Tools erlauben es Technikern, den Zustand der SPS sowie der angeschlossenen Geräte kontinuierlich zu überwachen, um potenzielle Probleme frühzeitig zu identifizieren. Als Beispiele für derartige Tools können integrierte Diagnosetools in SPS-Programmierumgebungen sowie externe Softwarelösungen angeführt werden, welche eine detaillierte Analyse der Systemleistung und Fehlerhistorie ermöglichen.

Es gibt eine Vielzahl von Überwachungs- und Diagnosetools für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), die Entwicklern und Wartungspersonal helfen, Probleme zu identifizieren und zu beheben. Hier eine Übersicht der wichtigsten Kategorien und Beispiele:

Integrierte Entwicklungsumgebungen (IDEs)

Die meisten SPS-Hersteller bieten eigene IDEs an, die neben der Programmierung auch umfangreiche Diagnose- und Überwachungsfunktionen enthalten:

• Siemens STEP 7 und TIA Portal
• Rockwell Automation Studio 5000
• Beckhoff TwinCAT
• Schneider Electric EcoStruxure Control Expert

Diese Tools bieten typischerweise Live-Monitoring von Variablen, Online-Änderung des Programms, Fehlerprotokollierung und Visualisierung des Programmablaufs

Spezielle Diagnosetools

Hardware-Diagnose:

• Busmonitore für verschiedene Feldbusse
• Signalanalysatoren für elektrische Signale
• Thermografiekameras zur Erkennung von Überhitzungen

Software-Diagnose:

• OPC-Server für den Datenzugriff
• Protokollanalysetools für Netzwerkkommunikation
• Spezialisierte SPS-Analysesoftware wie ProfiTrace oder NetTEST II

Fernwartungs- und Überwachungssysteme

• VPN-Lösungen für sicheren Fernzugriff
• Web-basierte SCADA-Systeme
• Cloud-Plattformen für IoT-Anwendungen wie Siemens MindSphere oder ABB Ability

Datenaufzeichnung und -analyse

• Datenlogger für langfristige Aufzeichnungen
• Historiensysteme für die Prozessdatenarchivierung
• Analysesoftware für Big Data und Predictive Maintenance

Simulationstools

• Hardware-in-the-Loop (HIL) Simulatoren
• Virtuelle Inbetriebnahme-Tools
• Digitale Zwillinge für komplexe Anlagen

Mobile Anwendungen

Viele Hersteller bieten auch mobile Apps für Smartphones und Tablets an, die eine schnelle Diagnose vor Ort ermöglichen:

• Siemens SIMATIC S7 PLC Simulator
• Allen-Bradley Connected Components Workbench
• Schneider Electric EcoStruxure Machine Advisor

Die kontinuierliche und fehlerfreie Funktion der Automatisierungstechnik kann nur durch eine sachgemäße Wartung und Instandhaltung der SPS-Systeme gewährleistet werden. Im Rahmen regelmäßiger Wartungsarbeiten werden die SPS-Programme überprüft und aktualisiert, defekte Hardwarekomponenten ausgetauscht und die Steuerungseinheiten gereinigt. Eine adäquate Instandhaltung reduziert Ausfallzeiten und verlängert die Lebensdauer des Systems. Präventive Wartungsmaßnahmen dienen der Identifikation potenzieller Probleme, sodass deren Eskalation zu größeren Ausfällen vermieden werden kann.

Die zukünftige Entwicklung der SPS wird in erheblichem Maße von neuen technologischen Fortschritten beeinflusst, zu denen die Integration von Künstlicher Intelligenz (KI), maschinellem Lernen und dem industriellen Internet der Dinge (IIoT) zählt. In Zukunft werden SPS-Systeme zunehmend vernetzter, flexibler und in der Lage sein, größere Datenmengen in Echtzeit zu verarbeiten. Die Weiterentwicklung von Technologien wie Künstliche Intelligenz (KI), Maschinellem Lernen, Robotik und dem Industriellen Internet der Dinge (IIoT) stellt einen wesentlichen Aspekt neuer Trends in der Automatisierung dar. Die genannten Trends zielen darauf ab, Produktionsprozesse in Richtung einer höheren Intelligenz, Autonomie und Effizienz zu entwickeln. Ein Beispiel für den Einsatz von KI ist die Fähigkeit von Maschinen, aus Daten zu lernen und selbstständig Optimierungen vorzunehmen. Des Weiteren wird durch das industrielle Internet der Dinge (IIoT) die Konnektivität erhöht, sodass Maschinen in Echtzeit miteinander kommunizieren können. Dies führt zu einer signifikanten Steigerung der Flexibilität und Anpassungsfähigkeit von Produktionssystemen.

Die Integration von KI und maschinellem Lernen in SPS-Systemen eröffnet neue Möglichkeiten für die Automatisierung. Die Nutzung von Künstlicher Intelligenz erlaubt es Maschinen, nicht nur vorgegebene Befehle auszuführen, sondern auch aus vergangenen Daten zu lernen und selbstständig Entscheidungen zu treffen. Die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens erlaubt es SPS-Systemen, Muster in Produktionsprozessen zu identifizieren und Optimierungen vorzunehmen, welche die Effizienz steigern. Die genannten Technologien tragen dazu bei, Automatisierungssysteme in Bezug auf Flexibilität, Intelligenz und Anpassungsfähigkeit zu optimieren.