Speicherprogrammierbare Steuerung: Was ist eine SPS und wie funktioniert sie?

Vernetzung ist zu einem immer wichtigeren Bestandteil moderner Produktionsstätte geworden. Da Hersteller weiterhin in intelligente Geräte wie IoT industrielle IoT, vernetzte Maschinen und ähnliche digitale Werkzeuge investieren, müssen sie Wege finden, mit ihren Anlagen zu kommunizieren und Prozesse mit minimalem menschlichem Eingriff zu automatisieren.

In einer eher traditionellen Fertigungsumgebung sind einzelne Maschinen und Steuerungssysteme direkt miteinander verbunden. Eine solche Konfiguration kann jedoch komplexer und schwieriger zu verwalten sein.

Moderne Hersteller umgehen diese Hürde durch den Einbau und den Einsatz von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS). Anstatt jede Maschine oder Anlage physisch direkt an die entsprechenden Steuerungssysteme anzuschließen, verbinden die Hersteller die Anlagen mit SPSen, was zu einer stärker integrierten Steuerung des Produktionsprozesses führt.

In diesem Beitrag erläutern wir, wie speicherprogrammierbare Steuerungen in Produktionsanlagen eingesetzt werden, welche Vorteile sie bieten und wie Tulip als SPS genutzt Tulip , um die Prozesssteuerung über Maschinen und digitale Werkzeuge hinweg in Ihrem Betrieb zu automatisieren.

Eine speicherprogrammierbare Steuerung ist ein kleiner Computer, der so programmiert ist, dass er auf der Grundlage der empfangenen Eingaben und einer Reihe festgelegter Regeln bestimmte Aktionen ausführt oder bestimmte Ergebnisse ausgibt.

SPSen kommen in einer Vielzahl von gewerblichen und industriellen Bereichen zum Einsatz, darunter Flughäfen, Bürogebäude, Eisenbahnen und Produktionsstätten. In diesem Beitrag werden wir die Auswirkungen von SPSen speziell im Kontext der Fertigung beleuchten.

Die Vernetzung Ihrer Anlagen und Systeme mithilfe einer SPS unterscheidet sich von dem eher traditionellen Ansatz, bei dem Relaislogiksysteme zum Einsatz kommen. Zwar dienen elektrische Relais ähnlich wie eine SPS der Steuerung industrieller Prozesse, doch weisen sie sowohl hinsichtlich der Konfigurierbarkeit als auch der Wartung erhebliche Nachteile auf.

Da elektrische Schaltanlagen aus einem System physischer Verkabelungen bestehen, müssten die physischen Verbindungen komplett neu verlegt werden, sollte der Betrieb des Systems jemals geändert werden müssen.

Sollte es zudem zu einer Störung im System kommen, müssten die zuständigen Mitarbeiter das gesamte System abgehen, um die Ursache des Problems zu ermitteln. Je nach Komplexität des Systems kann dies einen erheblichen Zeit- und Ressourcenaufwand erfordern. Hier ein Beispiel eines Schaltraums zur Veranschaulichung.

Mit der Einführung von Halbleiterelektronik und Mikrochips wurde die bei elektrischen Relais verwendete Steuerlogik durch Softwarelogik ersetzt, wodurch sich SPSen wesentlich einfacher konfigurieren und warten lassen.

Zudem sind SPS-Steuerungen so konstruiert, dass sie den oft rauen Bedingungen in industriellen Umgebungen standhalten, was sie ideal für Produktionsstätten macht.

Die Aufgabe einer SPS lässt sich einfach beschreiben: Sie führt Logikabläufe immer wieder aus, ohne auch nur einen Takt auszulassen. Dazu nutzt sie eine Reihe von Modulen, von denen jedes eine bestimmte Aufgabe übernimmt. Gemeinsam laufen sie im sogenannten Abtastzyklus ab – einer Schleife, in der die SPS die Vorgänge im Feld erfasst, das Programm ausführt, die Ausgänge aktualisiert und dann wieder ganz von vorne beginnt.

Dieser Kreislauf hört nie auf. Auf den meisten Systemen dauert dies nur wenige Millisekunden, weshalb eine SPS so schnell reagieren kann, wenn ein Schalter umgelegt wird oder ein Sensor seinen Zustand ändert.

CPU- und Speicher
en Die CPU ist das Herzstück des Systems. Hier wird Ihr Programm tatsächlich ausgeführt, und sie steuert zudem die Kommunikation mit dem restlichen System. Im Inneren finden sich in der Regel:

• Der Scan-Zyklus (Lesen → Ausführen → Schreiben)

• Speicherplatz sowohl für das Steuerungsprogramm als auch für die Betriebssoftware

• Integrierte Diagnosefunktion, damit Sie sofort merken, wenn etwas nicht stimmt

• Ein Taktgeber für die Zeitplanung oder zeitgesteuerte Logik

Der Speicher ist unterteilt. Ein Teil ist für Ihr Programm vorgesehen, der andere für Live-Daten wie Timer, Zähler und Variablenwerte, die sich bei jedem Durchlauf ändern.

Ein- und Ausgänge (E/A)
Die E/A-Module bilden die Verbindung zwischen der SPS und der Fertigungsanlage.

• An den Eingängen werden Signale von Sensoren, Endschaltern oder Druckmessumformern empfangen

• Die Ausgänge steuern Stellantriebe, Motorstarter, Ventile und alles andere, was einen Befehl benötigt

Es gibt zwei Haupttypen von Signalen:

• Digital – einfaches Ein-/Ausschalten (ein Drucktaster, ein Relais)

• Analog – Messbereiche (Temperatur, Füllstand, Drehzahl)

Die meisten Systeme sind so konzipiert, dass sie erweitert werden können. Wenn Sie mehr Ein- und Ausgänge benötigen, stecken Sie einfach ein weiteres Modul ein.

Stromversorgung
Man spricht zwar nicht oft darüber, doch die Stromversorgung ist von entscheidender Bedeutung. Sie wandelt die eingehende Wechselspannung in die Gleichspannungen um, die die SPS benötigt. Einige Geräte verfügen über Pufferbatterien oder Redundanz, damit bei einem kurzen Stromausfall keine Zustandsdaten verloren gehen.

Kommunikations-
Heutzutage arbeiten nur noch sehr wenige SPSen isoliert. Sie müssen mit Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI), SCADA-Systemen, anderen SPSen oder übergeordneten Systemen kommunizieren. Gängige industrielle Protokolle sind Ethernet/IP, Modbus und Profinet. Diese dienen nicht nur der Steuerung, sondern bieten auch Diagnosefunktionen, Protokollierung und in vielen Anlagen Fernzugriff. Einige neuere Systeme verfügen sogar über integrierte WLAN- oder Cloud-Funktionen.

Wenn man all das zusammennimmt, erhält man ein System, das sowohl modular als auch zuverlässig ist. Ganz gleich, ob Sie eine einzelne Druckmaschine oder eine ganze Produktionslinie betreiben – die zugrunde liegende Architektur bleibt dieselbe: Daten aus dem Feld erfassen, die Logik verarbeiten, die Ausgänge aktualisieren und diesen Vorgang so schnell wiederholen, dass man mit der Realität Schritt halten kann.

Angesichts der zunehmenden Verbreitung von Maschinen in Produktionsstätte haben Unternehmen nach neuen Wegen gesucht, um Prozesse zu automatisieren und die Produktion zu optimieren. Die zunehmende Automatisierung führte dazu, dass programmierbare Steuerungen eingesetzt wurden, um die verschiedenen Maschinen, Geräte, Sensoren usw. miteinander zu verbinden und zu steuern. Zu den Vorteilen, die SPSen den Herstellern bieten, gehören unter anderem:

Einfachere Programmierung: Wie bereits erwähnt, müssen Hersteller bei Relaissystemen mit komplizierten Logikabläufen umgehen, was die gesamte Aufgabe erschwert. SPSen hingegen lassen sich in einfachen Programmiersprachen programmieren, um verschiedene industrielle Anwendungen zu steuern.

Mehr Flexibilität: Wenn Hersteller ihre Produktionsprozesse anpassen müssen, können sie dies mithilfe einer SPS problemlos tun. Denn das Logikprogramm lässt sich einfach über den angeschlossenen Computer bearbeiten – ein großer Unterschied zum Auf- und Wiederverkabeln einer gesamten Relaisschaltung. Dies erleichtert die Fehlerbehebung und Wartung auf lange Sicht.

Erhöhte Zuverlässigkeit: Da bei der SPS-basierten Automatisierung weniger Verkabelungsaufwand erforderlich ist, sinkt das Risiko unzuverlässiger physischer Verbindungen. Dadurch können Fertigungsprozesse zuverlässiger ablaufen.

Schnelle Reaktionszeit: Moderne Hersteller benötigen sofortige Reaktionen auf Ereignisse im Werk. SPSen steuern Maschinen in Echtzeit und ermöglichen so eine unmittelbare Reaktion auf Eingaben.

Wenn beispielsweise die Temperatur einer Maschine stark ansteigt, kann die SPS die Maschine fast augenblicklich abschalten, um schwerwiegendere Folgen zu verhindern.

Robust gebaut: SPSen sind besonders widerstandsfähig konstruiert und halten somit auch potenziell extremen Betriebsbedingungen wie Hitze, Staub und Schmutz stand.

Wenn Hersteller zur Automatisierung ihrer Produktion auf speicherprogrammierbare Steuerungen zurückgreifen, müssen sie vor der Anschaffung einer SPS einige wichtige Faktoren berücksichtigen.

Dazu gehören:

• Systemkompatibilität: Hersteller sollten wissen, ob die von ihnen gewählte SPS mit ihren derzeitigen Fertigungssystemen kompatibel ist. Darüber hinaus sollte die SPS auch mit der Netzspannung des Werks kompatibel sein.

• Rechengeschwindigkeit: Die CPU der SPS sollte über eine ausreichende Rechengeschwindigkeit verfügen, um die verschiedenen Prozesse und Funktionen in einer Anlage bewältigen zu können.

• Anzahl der Anschlüsse: Es ist ratsam, darauf zu achten, dass die SPS über genügend Ein- und Ausgänge verfügt, um die Anforderungen der Anlage abzudecken.

• Analoge Ein-/Ausgabefunktionen: Einige SPSen können nur einfache Ein-/Aus-Prozesse – also diskrete Funktionen – verarbeiten. In manchen Fertigungsbetrieben kommen jedoch analoge Prozesse zum Einsatz, die eine speicherprogrammierbare Steuerung erfordern, die mit stetigen Variablen umgehen kann.

• Haltbarkeit: Viele Hersteller installieren SPSen in unmittelbarer Nähe der betreffenden Anlagen. Daher ist es wichtig sicherzustellen, dass sie den industriellen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise hohen Temperaturen, standhalten.

Die Fertigung ist heute nicht mehr so statisch wie früher. Umrüstungen erfolgen schneller, das Produktportfolio verändert sich, und die Systeme müssen miteinander kommunizieren. Deshalb fragen sich immer mehr Teams, ob herkömmliche SPSen immer die richtige Wahl sind.

Hier kommen Soft-SPSen ins Spiel. Eine Soft-SPS erfüllt dieselben Aufgaben wie eine Hardware-SPS: Sie führt Logikabläufe aus und steuert Maschinen, ist jedoch als Software gelöst. Anstelle von Modulracks läuft die Logik auf einem Industrie-PC oder einem Edge-Gerät. Da sie softwarebasiert ist, sind Updates einfacher, die Skalierung erfolgt schneller und die Integration in Cloud-Systeme ist von Anfang an integriert.

Tulips
Tulips Mit dem No-Code-Logik-Builder Tulipkönnen Sie Produktionslogik entwerfen, ohne sich mit Kontaktplan-Diagrammen oder Structured Text befassen zu müssen. Die Logik ist in Tulip integriert und kann durch Bedienereingriffe, Sensordaten oder direkte Maschineneingaben ausgelöst werden. Sie legen die Regeln über einen Drag-and-Drop-Editor fest, der so einfach zu bedienen ist, dass Ingenieure, Vorgesetzte oder Prozessverantwortliche ihn nutzen können, ohne auf einen SPS-Programmierer warten zu müssen. Und da Tulip für den Fertigungsbereich konzipiert Tulip , arbeitet es nicht isoliert. Es lässt sich direkt mit Maschinen, MES, ERP und IoT Geräte.

In den letzten Monaten Tulip Edge IO Tulip , ein WLAN-fähiges, einfach zu implementierendes und kostengünstiges Edge-Gerät zur Erfassung von Betriebsdaten. Unser Edge-IO-Gerät integriert Daten von verschiedenen Maschinen, Sensoren und SPSen und verfügt über industrielle E/A-Anschlüsse sowie USB-Konnektivität.

Mit Edge IO können Mitarbeiter SPS-Programme über Tulip ändern, und unser Edge-IO-Gerät lässt sich ohne zusätzliche Hardwarekosten in eine SPS umwandeln.

In der folgenden Demonstration sehen Sie, wie Tulip in diesem Zusammenhang eingesetzt Tulip :

Soft-SPSen sind kein Allzweckersatz. Es wird immer Fälle geben, in denen eine herkömmliche SPS das richtige Werkzeug ist. Für viele Hersteller bedeutet die Verlagerung der Steuerung in die Software jedoch, dass ihre Abläufe flexibler werden und weniger an starre, hardwareorientierte Systeme gebunden sind.

SPSen werden nicht verschwinden. Sie sind nach wie vor das Rückgrat der Automatisierung, und der Markt verzeichnet weltweit ein stetiges Wachstum. Der Markt für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) wurde im Jahr 2024 auf 13,9 Milliarden US-Dollar geschätzt und wird bis 2032 voraussichtlich 22,15 Milliarden US-Dollar erreichen.

Was sich ändert, ist die Art und Weise, wie sie genutzt werden. Anlagen sind heute stärker vernetzt, und das treibt die Weiterentwicklung der Steuerungssysteme voran.

Einige Trends stechen besonders hervor:

• IoT . Mehr Sensoren, mehr Gateways, mehr Daten. SPSen werden immer weniger als isolierte Geräte und zunehmend als Teil eines größeren vernetzten Systems eingesetzt.

• Edge und Cloud. Daten und sogar Teile der Steuerungslogik werden von der SPS auf edge devices die Cloud verlagert. Dies erleichtert die Skalierung und verschafft dem Management einen Echtzeit-Überblick über alle Standorte hinweg.

• KI hält Einzug. Einige Plattformen beginnen damit, KI einzusetzen, um Anomalien zu erkennen, Ausfälle vorherzusagen oder sogar die Logik in Echtzeit zu optimieren. Es ist noch früh, aber es geschieht bereits.

• Software-SPSen und offene Systeme. Die Teams haben genug von der Bindung an bestimmte Anbieter. Das Interesse an herstellerunabhängiger, softwarebasierter Steuerung, die sich leichter anpassen lässt, wächst – insbesondere in der Fertigung mit großer Produktvielfalt.

Das große Ganze: SPSen sind nach wie vor zuverlässige Arbeitstiere, doch der Begriff „Steuerung“ verändert sich. Es geht nicht mehr nur darum, Maschinen am Laufen zu halten. Es geht um Anpassungsfähigkeit, Daten und Geschwindigkeit.

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