SPS zur Steuerung von Maschinen in Zeiten von Industrie 4.0

Die speicherprogrammierbare Steuerung (kurz SPS) dient zur Steuerung von Maschinen und Maschineneinheiten sowie Fertigungsanlagen mithilfe eines digitalen Programmcodes. Diese Art der Steuerung wird heute in unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt, beispielsweise in vollautomatischen Produktionsanlagen. Die Funktionen dieser Steuerung werden im Gegensatz zur fest verdrahteten, verbindungsprogrammierbaren Steuerung durch Softwarecodes bestimmt, und zwar infolge einer softwaremäßigen Programmierung. Im Englischen ist häufig die Rede von einem „programmable logic controller“, kurz PLC.

Die Möglichkeiten und Funktionen der speicherprogrammierbaren Steuerung

Die speicherprogrammierbare Steuerung besteht aus mehreren Komponenten. Sie besitzt mehrere Eingabeelemente in Form von Schaltelementen oder Sensoren sowie Ausgabeelemente wie zum Beispiel Anzeigen oder Aktoren in Form von Stellelementen oder Motoren. Eingesetzt werden solche Schaltungen in programmierbarer Form in den unterschiedlichsten Branchen, beispielsweise in Prüfmaschinen, Gussmaschinen oder verschiedenen Anlagen zu einzelnen Produktionsschritten. Je nach Programmcode können zum Beispiel folgende Funktionen in einer SPS enthalten sein:

  • spezifische Funktionen wie beispielsweise eine Verknüpfungssteuerung
  • Ablaufsteuerungen in Fertigungsmaschinen
  • Zählfunktionen oder arithmetische Funktionen
  • die Verarbeitung von analogen und digitalen Eingangs- und Ausgangssignalen zur Steuerung von Maschinen und Prozessen
  • wirtschaftlicher Einsatz und eine schnelle Steuerung von Maschinenteilen wie beispielsweise Magnetventile, Stellelemente oder Elektromotoren

Sensoren und Aktoren im softwaregesteuerten Zusammenspiel

Jede SPS verfügt über verschiedene Eingänge, Ausgänge und eine Art Firmware, die als Schnittstelle zwischen den Sensoren und Aktoren fungiert. In dieser Schnittstelle läuft ein Programmcode, der die eigentliche Funktion der speicherprogrammierbaren Steuerung festlegt, die Funktion der Schaltung hängt also wesentlich von Programmcode ab und kann je nach Anforderung verändert bzw. angepasst werden. Sensoren wie zum Beispiel Lichtschranken, Inkrementalgeber, Taster, Temperaturfühler oder Füllstandsensoren liefern die für die jeweiligen Schritte notwendigen Informationen. Diese Informationen werden von der SPS ausgewertet und für die logische Steuerung von entsprechenden Aktoren in der Maschine verwendet. Die SPS kann dabei auf unterschiedliche Weise umgesetzt werden, beispielsweise in einem Einzelgerät (zum Beispiel in einer Fertigungsmaschine) mit einer bestimmten Funktion, in einer Softwareemulation oder auch als Komponente eines PCs. Für kleinere Aufgaben innerhalb der Automatisierung werden in der Regel preiswerte und kleine Geräte bzw. Steuerungsmodule eingesetzt. Diese sorgen völlig autonom für eine automatische Steuerung von Produktionsmaschinen.

Wie sich Schutzfunktionen sachgerecht einsetzen lassen

Selbstverständlich müssen auch verschiedene Schutzfunktionen in die SPS integriert werden wie beispielsweise ein Abschalten von Maschinen bei Übertemperaturen, bei unsachgemäßer Handhabung der Produktionsmaschinen oder fehlerhaften Bauteilen. Auch zu diesem Zweck können die in der Maschine eingesetzten Sensoren dienen sowie Sicherheitsschalter, beispielsweise an Zugängen zu den Produktionsfeldern für Mitarbeiter, welche im Falle eines unbeaufsichtigten Zuganges die einzelnen Produktionsschritte zeitweise stoppen oder auch dauerhaft anhalten können.

Vor- und Nachteile der speicherprogrammierbaren Steuerung

Einer der Hauptvorteile der speicherprogrammierbaren Steuerung besteht darin, dass ein Steuerprogramm nur einmal geschrieben werden muss und anschließend so häufig wie gewünscht eingesetzt werden kann. Dadurch kann der Aufbau bzw. die Programmierung von Fertigungsmaschinen deutlich kosteneffizienter erfolgen. Eine ebenfalls praktische Funktion besteht darin, dass die einzelnen Programmcodes auf Wunsch mit Optionen zum Dokumentieren oder Kommentieren versehen werden können, um bereits existierende Programme auch nachträglich noch einfacher zu verstehen und gegebenenfalls zu modifizieren. Ebenfalls nicht unterschätzt werden sollte der Vorteil einer speicherprogrammierbaren Steuerung, die auch von einem anderen Ort aus überwacht oder gegebenenfalls angepasst werden kann. Einige Nachteile gibt es allerdings auch wie zum Beispiel die Notwendigkeit von entsprechenden Programmiergeräten in Form von Laptops oder PCs. Außerdem lohnt sich der Einsatz einer SPS erst ab einer bestimmten Komplexität bestimmter Anwendungen, während für einfache Anwendungsbereiche eine SPS meistens zu teuer ist.

Lohnt sich eine SPS auch heute noch?

Die speicherprogrammierbare Steuerung bietet einige Vorteile, und ihre Stärken liegen zweifelsohne in einer relativ unkomplizierten Programmierung dank einfacher Softwaresprachen sowie in einer leistungsfähigen Datenverarbeitung in Echtzeit, was gerade beim Einsatz von hocheffizient arbeitenden Produktionsmaschinen wichtig ist, in denen die Daten vieler Sensoren gleichzeitig ausgewertet und berücksichtigt werden müssen. Zu berücksichtigen ist aber auch die begrenzte Integrationsfähigkeit in bereits bestehende Systeme sowie ihren Schwächen gegenüber den Hochsprachen in der Informationstechnik. Gerade die zeitnahe Anpassung von einzelnen Produktionsschritten mithilfe der SPS kann mitunter problematisch werden, wenn für jede Produktionsvariante erst Programme umgeschrieben bzw. geladen werden müssen. Hier punkten eindeutig modernere Systeme, die vollständig miteinander vernetzt sind.

Industrie 4.0 und SPS – passt das noch zusammen?

Eine der größten Herausforderungen der Industrie 4.0 besteht in einer immer stärker wachsenden Variantenvielfalt innerhalb der Produktion bei gleichzeitiger Steigerung der Produktionskapazitäten. In vielen Bereichen kommt die speicherprogrammierbare Steuerung hier an ihre Grenzen, vor allem in ihrer Anpassungsfähigkeit. Heute setzt man daher oft auf andere Technologien wie zum Beispiel Edge Computing mithilfe von so genannten Edge Controllern. Bei Letzteren handelt es sich ebenfalls um eine Form der speicherprogrammierbaren Steuerung, allerdings sind sie in der Lage, die durch die Sensoren bereitgestellten Daten sehr schnell zu analysieren und zu filtern. Der wesentliche Unterschied zu einer SPS besteht darin, dass Cloud-Technologien eingesetzt werden können, also beim Edge-Computing eine dezentrale Datenverarbeitung und Speicherung der Programmdaten stattfindet.

Fazit:

Die speicherprogrammierbare Steuerung ist zwar immer noch aktuell und bringt in vielen Bereichen deutliche Vorteile mit sich. Allerdings drängen sich einige andere Technologien bereits an ihre Stelle, insbesondere moderne Systeme für die dezentrale Datenverarbeitung innerhalb der Industrie 4.0. Allerdings hat sich auch die SPS mittlerweile an die Anforderungen der modernen Produktionstechniken angepasst, lässt sie sich doch heute wesentlich besser als früher in bereits vorhandene Infrastrukturen integrieren. Insofern rücken verschiedene Systeme wie SPS und Edge-Controller in einigen Bereichen immer näher zusammen, so dass es keinesfalls immer zu Entwicklungen in völlig unterschiedlichen Richtungen kommen muss.

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