Wie entwirft man ein SPS-Steuerungssystem für die industrielle Automatisierung?

Grundlagen des SPS-Steuerungssystems und seine Rolle in der industriellen Automatisierung

Was ist ein SPS-Steuerungssystem und warum ist es in der modernen Fertigung wichtig

Programmierbare Logiksteuerungen, kurz PLCs, fungieren als Industriecomputer, die Automatisierungsaufgaben für elektromechanische Prozesse mit bemerkenswerter Genauigkeit und Zuverlässigkeit übernehmen. Herkömmliche Steuersysteme waren stark auf physische Relais angewiesen, doch moderne PLC-Technologie ermöglicht es Fabriken, komplexe Abläufe über Software-Programmierung zu steuern, anstatt bei sich ändernden Prozessen ständig Hardware-Anpassungen vornehmen zu müssen. Laut verschiedenen Berichten aus der Fertigungsindustrie steigern Einrichtungen, die auf PLC-Automatisierung umstellen, ihre Produktionslinien-Effizienz typischerweise um etwa 20 % im Vergleich zu Anlagen mit alten Relaissystemen und erleben zudem weniger Stillstände aufgrund verschlissener Komponenten. Die Möglichkeit, Teile neu zu programmieren statt sie ersetzen zu müssen, erklärt, warum so viele Automobilwerke und Lebensmittelverarbeiter heute täglich auf PLCs angewiesen sind. Solche Systeme sind einfach sinnvoll für Betriebe, die sowohl Erweiterungsfähigkeit als auch eingebaute Redundanz gegen unerwartete Ausfälle benötigen.

Kernkomponenten eines SPS-Systems: CPU, E/A-Module und Stromversorgung

Jedes SPS-Steuerungssystem basiert auf drei grundlegenden Elementen:

Die CPU fungiert als Gehirn, während die E/A-Module als Nervensystem dienen, das physische Geräte mit digitalen Befehlen verbindet. Eine korrekt dimensionierte Stromversorgung verhindert Systemabstürze aufgrund elektrischer Instabilität.

Die Entwicklung der SPS: Vom Relais-Logiksystem zu intelligenten industriellen Steuergeräten

SPS-Systeme tauchten erstmals gegen Ende der 1960er Jahre auf, als sie in Automobilfertigungsanlagen die alten manuellen Relaissysteme ablösten. Im Laufe der Zeit wurden diese programmierbaren Steuerungen immer intelligenter und können nun Echtzeitdaten analysieren sowie sogar vorhersagen, wann Wartungsarbeiten erforderlich sein könnten. Heutzutage arbeiten die meisten modernen Systeme mit IIoT-Protokollen, wodurch Ingenieure Probleme aus der Ferne diagnostizieren und alle Komponenten mit ERP-Plattformen verbinden können, um das Fabrikmanagement zu verbessern. Diese Veränderung hat besonders in Branchen, in denen Genauigkeit entscheidend ist, einen großen Unterschied gemacht und laut Branchenberichten den manuellen Kalibrierungsaufwand um etwa ein Drittel reduziert. Viele pharmazeutische Unternehmen haben dadurch deutliche Verbesserungen erzielt. Moderne SPS-Systeme der aktuellen Generation übernehmen zudem sogenanntes Edge Computing, sodass Fabriken ihre Daten nicht mehr vollständig in die Cloud senden müssen. Diese lokale Datenverarbeitung unterstützt Anwendungen, die schnelle Reaktionen erfordern, wie beispielsweise die Steuerung von Roboterarmen auf Montagelinien.

Bewertung der Automatisierungsanforderungen vor der Konzeption eines SPS-Steuerungssystems

Definition der Steueraufgabe und der betrieblichen Ziele in industriellen Prozessen

Damit ein SPS-Steuerungssystem gut funktioniert, müssen die Steuerungsaufgaben und Betriebsziele von Anfang an recht klar definiert sein. Bei der Einrichtung sollten sich die Teams auf konkrete Zahlen konzentrieren, anhand derer sie tatsächliche Ergebnisse messen können. Zum Beispiel: Wie viele Produkte müssen pro Stunde verarbeitet werden – etwa 500 Einheiten? Oder welche Präzision bei der Qualitätskontrolle erforderlich ist – ±0,5 % scheint in den meisten Fällen angemessen. Das System muss außerdem komplexe Zusammenhänge zwischen verschiedenen Komponenten bewältigen. Nehmen wir beispielsweise Roboterarme, die zusammen mit Förderbändern arbeiten – sie müssen während des gesamten Prozesses perfekt synchronisiert bleiben. Ein aktueller Bericht der ISA aus dem Jahr 2023 zeigte etwas Interessantes: Fast drei Viertel aller Automatisierungsprobleme gehen auf eine fehlerhafte Steuerlogik zurück. Deshalb dokumentieren kluge Ingenieure von vornherein alles – automatischen Betrieb, manuelle Eingriffe während Wartungsphasen sowie das Verhalten bei unerwarteten Störungen. Wenn man diese Grundlagen am Anfang richtig festlegt, erspart man sich später Ärger.

Erfassung von Prozesseingängen, -ausgängen und Verriegelungen zur Systemklarheit

Um zuverlässige Automatisierung in Betrieb zu nehmen, ist es notwendig, ausreichend Zeit für die genaue Erfassung der Ein- und Ausgabepunkte sowie aller Sicherheitsverriegelungen aufzuwenden. Nehmen wir beispielsweise eine typische Verpackungsmaschine: Diese benötigt etwa 120 digitale Eingänge, wie Näherungssensoren und Not-Aus-Taster, sowie ungefähr 40 analoge Ausgänge zur Steuerung der Motordrehzahlen. Die Verriegelungsmatrix hilft dabei, das Verhalten unter verschiedenen Bedingungen transparent zu machen. So wird beispielsweise bei Temperaturen über 80 Grad Celsius automatisch ein Herunterfahren des Systems ausgelöst oder der gesamte Verpackungsprozess gestoppt, sobald die Zuführvorrichtungen leer sind. Laut Automation World aus dem Vorjahr reduziert diese strukturierte Planung Fehler während der Inbetriebnahme um rund 40 Prozent im Vergleich zu einer ungeplanten Vorgehensweise ohne klare Struktur.

Bewertung der Umgebungsbedingungen und Sicherheitsanforderungen

Hardware für industrielle SPS muss harten Bedingungen auf Produktionsflächen standhalten. Denken Sie an Metallstanzoperationen, bei denen Vibrationen Kräfte von über 5G erreichen, oder an die feuchte Atmosphäre in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben, wo die Luftfeuchtigkeit oft über 95 % steigt. Laut den NFPA-79-Richtlinien erfordern staubanfällige Bereiche mindestens einen Schutzgrad IP65 für Gehäuse. Bei der Verarbeitung brennbarer Stoffe benötigen Anlagen unbedingt SIL-3-zertifizierte Sicherheitsrelais als Teil ihrer Ausstattung. Die meisten Ingenieure wissen, dass es sinnvoll ist, Raum für zukünftiges Wachstum einzuplanen. Reservieren Sie daher bereits zu Beginn rund 20 bis 30 % zusätzliche E/A-Kapazität, da eine nachträgliche Erweiterung äußerst kostspielig sein kann. Ein aktueller Bericht von Deloitte zeigte, dass Nachrüstungskosten sich manchmal verdreifachen, sobald die Systeme bereits in Betrieb sind.

Auswahl der richtigen SPS-Architektur und Hardware-Konfiguration

Ein gut konzipiertes SPS-Steuerungssystem passt die Hardware-Architektur an die betrieblichen Anforderungen an. Über 60 % der industriellen Ausfallzeiten resultieren aus nicht kompatiblen Komponenten (Automation World 2024), weshalb eine strategische Auswahl für Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit entscheidend ist.

Arten von SPS: Vergleich von festen, modularen, einheitlichen und rackmontierten Systemen

Feste SPS-Geräte kombinieren CPU, Ein-/Ausgabekomponenten und Netzteil in einer kompakten Box. Diese eignen sich hervorragend für kleinere Anwendungen wie Verpackungsanlagen, bei denen typischerweise nicht mehr als 32 E/A-Punkte benötigt werden. Modulare Systeme hingegen verfügen über erweiterbare Rack-Konfigurationen, die zwischen 100 und 500 E/A-Punkte bewältigen können. Dadurch sind sie besonders in der Automobilfertigung nützlich. Kompakt-SPS-Bauformen legen den Fokus auf die Einsparung wertvollen Bodenplatzes, was in beengten industriellen Räumen stets wichtig ist. Für größere Installationen wie chemische Verarbeitungsanlagen entscheiden sich die meisten Unternehmen stattdessen für rackmontierte Konfigurationen. Diese ermöglichen eine bessere Organisation und zentrale Steuerung von Tausenden von E/A-Modulen über die gesamte Anlage hinweg.

Auswahl skalierbarer und zuverlässiger E/A-Module basierend auf den Anwendungsanforderungen

Digitale Ein-/Ausgabemodule verarbeiten die Ein-/Aussignale von Komponenten wie Endschaltern und reagieren dabei innerhalb von nur 0,1 Millisekunden. Ihre analogen Gegenstücke hingegen bearbeiten variable Signale, beispielsweise Temperaturmesswerte, über einen Spannungsbereich von plus oder minus 10 Volt. Bei der Zuverlässigkeit spielen redundante Konfigurationen eine entscheidende Rolle, da laut einer Studie der ARC Advisory Group aus dem Jahr 2023 fast ein Drittel aller Systemprobleme genau auf der Ebene der Ein-/Ausgabeeinheiten beginnt. Für Installationen unter anspruchsvollen Bedingungen sollten Ingenieure auf galvanisch getrennte Modelle mit IP67-Zertifizierung achten. Diese speziellen Module widerstehen Staubansammlungen und Wasser-eindringung weitaus besser, die in industriellen Umgebungen später oft zu erheblichen Problemen führen können.

Überlegungen zur Stromversorgung und Planung der Redundanz bei der SPS-Auslegung

Spannungsschwankungen verursachen 22 % der Fehlfunktionen von SPS-Systemen (Emerson 2022). Wählen Sie Netzgeräte mit einer Eingangstoleranz von ±10 % und einem Ausgangsleistungsreserven von 125 %. Setzen Sie doppelte, redundante Stromversorgungen mit automatischem Failover für kritische Prozesse wie die Chargensteuerung in der pharmazeutischen Industrie ein. Kombinieren Sie diese mit USV-Systemen, um die Risiken durch Spannungsabsenkungen zu verringern, und richten Sie sich dabei nach den NFPA-70-Normen für industrielle Sicherheit.

Programmierung der SPS: Abtastzyklus, Logikentwicklung und bewährte Verfahren

So funktioniert der SPS-Abtastzyklus: Eingangsabtastung, Programmausführung, Ausgangsaktualisierung

PLC-Steuerungssysteme arbeiten, indem sie zyklisch einen sogenannten Abtastzyklus durchlaufen, der normalerweise zwischen 10 und 1000 Millisekunden dauert, abhängig von der Komplexität des Programms. Zu Beginn des Eingangsabtastvorgangs prüft die SPS im Wesentlichen alle angeschlossenen Sensoren und speichert die von ihnen gelieferten Informationen. Danach folgt der eigentliche Verarbeitungsschritt, bei dem die SPS alle logischen Anweisungen ausführt, die wir in Sprachen wie Kontaktplan oder strukturiertem Text geschrieben haben. Im anschließenden Ausgabeschritt sendet die SPS Befehle an Geräte wie Motorstarter und Ventilsteuerungen. Dieser gesamte Prozess läuft ständig in einer Schleife, wodurch Reaktionen nahezu sofort erfolgen. Diese Geschwindigkeit ist besonders wichtig bei Anwendungen, die unmittelbare Reaktionszeiten erfordern, beispielsweise um Förderbänder korrekt auszurichten oder Anlagen im Notfall schnell abzuschalten.

SPS-Programmiersprachen: Kontaktplan, Funktionsbausteinschaltbild, Strukturierter Text

Der IEC 61131-3-Standard bietet Ingenieuren eine Reihe von Programmieroptionen, mit denen sie den optimalen Kompromiss zwischen Benutzerfreundlichkeit und ausreichender Leistungsfähigkeit für anspruchsvolle Aufgaben finden können. Die Kontaktplanlogik (Ladder Logic) behält in Fabriken, die mit Ein-/Ausschaltvorgängen arbeiten, weiterhin die Oberhand, da diese Diagramme den herkömmlichen elektrischen Schaltplänen stark ähneln, mit denen die meisten Werksmitarbeiter vertraut sind. Funktionsbausteinschaltdiagramme (Function Block Diagrams) kommen dann zum Einsatz, wenn Prozesse komplexer werden, und ermöglichen es Programmierern, vorgefertigte Funktionen wie Bausteine zusammenzufügen, anstatt alles von Grund auf neu zu erstellen. Wenn mathematische Anforderungen besonders hoch werden, ist Strukturierter Text (Structured Text) die bevorzugte Lösung für Anwender, die echten Code für ihre Steuerungssysteme schreiben müssen. Heutzutage kombinieren die meisten industriellen Automatisierungslösungen verschiedene Sprachen, je nachdem, welche Teile des Systems welche Behandlung benötigen. Branchenberichte deuten darauf hin, dass etwa zwei Drittel aller Automatisierungsprojekte tatsächlich Kombinationen dieser Programmiermethoden verwenden, anstatt sich strikt an einen einzigen Ansatz zu halten.

Entwicklung von Steuerungsstrategien und -logik unter Verwendung von SPS-Programmierung (Ladder Logic) und Software-Tools

Bei der Entwicklung einer guten Logik für industrielle Systeme wandeln wir reale Probleme im Grunde in Computeranweisungen um. Denken Sie beispielsweise daran, Flaschenabfüllanlagen störungsfrei laufen zu lassen oder sicherzustellen, dass Temperaturen exakt auf dem gewünschten Niveau gehalten werden. Tools wie CODESYS ermöglichen es Ingenieuren, ihre Logikentwürfe zunächst zu testen, wodurch Probleme mit Sicherheitsverriegelungen oder das Reagieren von Alarmen bei Störungen frühzeitig erkannt werden können. Nehmen wir zum Beispiel Klima- und Lüftungssysteme (HVAC). Diese nutzen häufig Zeitfunktionen und Vergleichsfunktionen, um Räume innerhalb eines Bereichs von etwa plus/minus einem halben Grad Celsius konstant zu halten. Doch es geht nicht nur um präzise Temperaturen. Die besten Systeme finden zudem Möglichkeiten zur Energieeinsparung und gewährleisten eine Balance zwischen Komfort und den heutzutage so wichtigen Energiekosten.

Best Practices zur Strukturierung von Code hinsichtlich Wartbarkeit und Fehlersuche

Modulare Programmierung reduziert die Debugging-Zeit um 30–50 % im Vergleich zu monolithischen Ansätzen (ISA-88-Standards). Wichtige Praktiken beinhalten:

• Beschriftung von Tags mit beschreibenden Namen (z. B. „Pump_1_Overload“)
• Zusammenfassung verwandter Funktionen in wiederverwendbare Blöcke (z. B. Motorsteuerroutinen)
• Einfügen von Kommentaren innerhalb des Codes, um Logikverzweigungen und Schwellwerte zu erklären
  Die Verwendung von Versionsverwaltungssystemen wie Git ermöglicht die Nachverfolgung von Änderungen und das Zurücksetzen bei unerwarteten Problemen.

Integration von HMI, Kommunikationsprotokollen und zukunftssicheren PLC-Systemen

Moderne SPS-Steuerungssysteme hängen von der nahtlosen Integration von Hardware, Software und Kommunikationsframeworks ab, um die Effizienz zu maximieren.

Rolle der HMI bei der Verbesserung der Interaktion des Bedieners mit dem SPS-Steuerungssystem

Mensch-Maschinen-Schnittstellen (HMIs) wandeln komplexe SPS-Daten in intuitive Dashboards um, wodurch Betreiber Parameter wie Temperatur und Produktionsraten in Echtzeit überwachen können. Touchscreen-HMIs ermöglichen es Nicht-Programmierern, Sollwerte anzupassen, auf Alarme zu reagieren und Sicherheitsprotokolle auszulösen. Einrichtungen, die zentralisierte HMI-SPS-Architekturen verwenden, berichten von einer Verringerung der Ausfallzeiten um 20–35 % (Ponemon 2023).

Gängige Kommunikationsprotokolle: Modbus, Profibus, EtherNet/IP-Integration

Standardisierte Kommunikationsprotokolle gewährleisten die Interoperabilität über industrielle Netzwerke hinweg:

• Modbus : Am besten geeignet für einfache Master-Slave-Konfigurationen in Überwachungsanwendungen wie Druck- oder Temperaturüberwachung.
• PROFIBUS : Bietet Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung für die Bewegungssteuerung in automatisierten Montagelinien.
• EtherNet/IP : Unterstützt IIoT-fähige Systeme mit integrierter Ethernet-Anbindung und ermöglicht cloudbasierte Analysen sowie Fernzugriff.

Gewährleistung des Echtzeit-Datenaustauschs zwischen SPS, SCADA und betrieblichen Systemen

Wenn sie mit Überwachungs- und Datenerfassungssystemen (SCADA) synchronisiert werden, liefern SPS-Systeme millisekundengenaue Aktualisierungen für kritische Abläufe wie das Mischen von Chargen oder die Verpackung. Diese Integration speist Echtzeit-Betriebsdaten in ERP-Plattformen ein und verbessert so die Bestandsprognose und die Planung der vorbeugenden Wartung.

Auslegung für Skalierbarkeit, IIoT-Ready und langfristige Wartung

Zukunftsfähige SPS-Architekturen beinhalten:

• Modulare I/O-Erweiterungen um Produktionsaufstockungen zu unterstützen
• OPC-UA-Kompatibilität für einen sicheren, plattformunabhängigen Datenaustausch mit Cloud-Diensten
• Vorhersagebasierte Wartungstools wie z. B. Vibrationssensoren, die ungeplante Ausfallzeiten um bis zu 45 % reduzieren

Die Anwendung dieser Strategien gewährleistet eine langfristige Anpassungsfähigkeit an sich weiterentwickelnde Anforderungen der Industrie 4.0.

FAQ

Wofür werden SPS-Systeme in der Fertigung verwendet?

SPS oder Speicherprogrammierbare Steuerungen werden in der Fertigung zur Automatisierung von Prozessen eingesetzt. Sie helfen dabei, Produktionslinien zu steuern und zu überwachen, Sensordaten zu erfassen und den Bedarf an manuellen Eingriffen durch die Ausführung programmierten Logikablaufs zu reduzieren.

Was sind die Kernkomponenten eines SPS-Systems?

Jedes SPS-System besteht aus einer CPU zur Verarbeitung von Eingangssignalen, I/O-Modulen zur Anbindung an Feldeinheiten wie Sensoren und Aktuatoren sowie einer Stromversorgung zur Umwandlung der Netzspannung in stabile Gleichspannung.

Worin unterscheiden sich moderne SPS von traditionellen, relaisbasierten Steuersystemen?

Moderne SPS verwenden Software-Programmierung, wodurch eine Neuprogrammierung möglich ist, anstatt wie bei traditionellen relaisbasierten Systemen Teile physisch austauschen zu müssen. Diese Flexibilität erhöht die Betriebseffizienz und ermöglicht einfache Anpassungen der Prozesse.

Welche Arten von Programmiersprachen werden in der SPS-Programmierung verwendet?

Die PLC-Programmierung umfasst Sprachen wie Ladder Logic, Funktionsblockdiagramme und Strukturierter Text. Jede bietet unterschiedliche Stärken, von benutzerfreundlichen Schnittstellen bis hin zu leistungsstarken Funktionen für komplexe Berechnungen und Logik.