SPS: Effizienzpotenziale in der Industrieautomation erschließen

Programmierbare Logiksteuerungen (SPS) verstehen

Programmierbare Logiksteuerungen (SPS) sind digitale Computer zur Automatisierung spezifischer Aufgaben oder Prozesse in vielfältigen Anwendungen. Sie steuern Maschinen an Fertigungsstraßen, Achterbahnen in Freizeitparks oder Beleuchtungssysteme. Heute wächst die Nachfrage nach industrieller Automation in Fertigungsanlagen weltweit. Automation wird zum zentralen Aspekt der Fertigung, da Unternehmen mit dünnen Gewinnspannen und Just-in-Time-Produktion arbeiten. Um diese Prozesse zu bedienen, müssen sie Kundenanforderungen bei niedrigeren Kosten, Massenfertigung, Anpassungsfähigkeit und Flexibilität erfüllen. Ziel dieses Artikels ist es, Anlagenbetreibern die Vorteile des Umstiegs von manueller Fertigung auf SPS-gestützte Automatisierung aufzuzeigen.

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Die SPS im Detail

SPS sind zu einem Eckpfeiler der industriellen Automation geworden und dienen oft als Bindeglied zwischen Maschine und Mensch. Als Universalsteuerungen können SPS für vielfältige Aufgaben programmiert werden – von pneumatischen Operationen bis hin zu mathematischen Berechnungen. Mit der Rechenleistung, Datenspeicherung und Kommunikationsfähigkeit moderner Computer bieten SPS eine ganz neue Ebene der Applikationssteuerung. SPS sind für zuverlässigen Betrieb in anspruchsvollsten Umgebungen ausgelegt: hohe Temperaturen, elektrisches Rauschen, Stöße und Vibrationen.

SPS interagieren über direkte Verbindungen mit Ein- und Ausgabeeinrichtungen. Signale von Sensoren, Schaltern und anderen Steuergeräten liefern externe physikalische Daten über den Umgebungsbetrieb der SPS. Ursprünglich über Kontaktplan (Ladder Logic) programmiert, sind moderne SPS nicht mehr darauf beschränkt. SPS-Ausgänge liefern Rückmeldungen, um die bestmögliche Entscheidung zur Prozess- oder Umgebungsänderung zu treffen.

Vorteile von SPS

• Flexibilität
  • Eine einzelne SPS kann problemlos mehrere Maschinentypen steuern.
• Fehlerkorrektur
  • Früher mussten Relais-Schalttafeln physisch umgebaut werden, um neue Schaltungen zu realisieren. Mit SPS lässt sich ein Schaltungsdesign einfach durch Neuprogrammierung ändern. Fehlerkorrektur ist extrem kurz und kosteneffizient.
• Platzersparnis
  • Durch wachsenden SPS-Speicher können Kontakte, Spulen, Timer, Sequenzer und Zähler auf einem einzigen Controller genutzt werden. Tausende Instrumente können an einen einzigen Controller angeschlossen werden. Dies reduziert den Bedarf an mehreren Schaltschränken für verschiedene Systeme.
• Niedrige Kosten
  • SPS-Kosten reichen von wenigen Hundert bis wenigen Tausend Euro. Die Reduzierung externer Komponenten durch den Kauf einer einzelnen SPS spart direkte und Installationskosten.
• Testbarkeit
  • SPS können in einem sicheren Labor getestet und evaluiert werden. Das Programm kann validiert und korrigiert werden, was wertvolle Zeit spart.

Die SPS-Implementierung bietet zahlreiche Leistungsvorteile: reduzierte Hardwareanforderungen, gesteigerte Effizienz, weniger Produktionsabfall. Moderne SPS sind hochgradig anpassbar und können für individuelle Steuerungsapplikationen designed werden, wobei der Platzbedarf auf der Fertigungsebene stark sinkt.

Durch integrierte Controller vereinfachen SPS die Installation, da weniger Platz benötigt wird. SPS-Displays verbessern die Bedienerinteraktion und steigern so die Produktionseffizienz.

Wartung, Fehlersuche und Reparaturen werden durch Steckkomponenten und modulare Austauschbarkeit reduziert. Die Wahrscheinlichkeit von SPS-Fehlern und die Zeit zur Fehlerbehebung sinken erheblich, was das komplette Neuerdrahten von Relais-Schalttafeln und Zubehör überflüssig macht. Zudem überwachen Fehlererkennungs-Schaltungen und Diagnoseindikatoren in Hauptkomponenten die ordnungsgemäße Funktion.

Funktionsweise einer SPS

Eine programmierbare Logiksteuerung ist ein spezieller Computer zur Steuerung von Maschinen und Prozessen. Sie teilt Gemeinsamkeiten mit PCs: Zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), Speicher, Software, Kommunikation. Im Gegensatz zu PCs ist die SPS für raue Industrieumgebungen ausgelegt und extrem flexibel in der Schnittstelle zu Ein- und Ausgängen.

Typische SPS-Komponenten:

• Netzteil und Rack
• Zentrale Verarbeitungseinheit (CPU)
• Ein-/Ausgabesystem (I/O)

SPS gibt es in vielen Formen und Größen. Einige passen in die Hosentasche, größere Steuerungssysteme erfordern große SPS-Racks.

• Netzteil und Rack
  • Das Rack hält alles zusammen. Es kann für mehrere Module ausgelegt sein. Es hält die Karten für die CPU-Kommunikation. Das Netzteil regelt die Gleichstromversorgung für jedes Modul im Rack.
• CPU
  • Das Gehirn der SPS. Die CPU sitzt typischerweise hinter dem Netzteil. Sie besteht aus Mikroprozessor, Speicherchip und weiteren Logikschaltungen für Überwachung und Kommunikation. Hier wird das Logikprogramm implementiert, ausgeführt und der Prozess betrieben.
• Ein-/Ausgabesystem
  • Hier treffen die physischen Verbindungen zwischen Geräten und SPS zusammen. Ein Klemmenstreifen dient den I/O-Karten für Geräteanschlüsse.

Das Ein-/Ausgabesystem arbeitet im Tandem mit der CPU. Eingabegeräte erfassen und messen Daten von Überwachungskomponenten und liefern Informationen für die CPU, um zu entscheiden, was Maschine oder Prozess tun soll. Das Ausgabesystem setzt die Programmausführung der CPU in die betreibenden Maschinen und Prozesse um. Meist führt die SPS einen einzelnen Ausführungstyp für eine spezifische Aufgabe oder einen Prozess aus. Dies ermöglicht die Automatisierung basierend auf SPS-Rückmeldesensoren.

Branchen, die SPS einsetzen

Mit fortschreitender SPS-Entwicklung wachsen die industriellen Anwendungen stetig. Hier einige Branchen und Anwendungen:

Snack-Food-Industrie

• Ofensteuerungssysteme
• Chargiersysteme
• Garssysteme
• Extrusions- und Schneidsysteme
• Schlammmischung und -verteilung

Fördertechnik

• Materialhandling
• Drehzahlvariable Antriebe und Systeme
• Motorschaltzentralen
• Ventilsequenzsteuerung
• Verstopfungs-Erkennung

Baustoffindustrie

• Brennofensteuerung
• Schneidsteuerung
• Formsysteme
• Gipsmischung und -verteilung

Pharmazeutik

• Autoklavensteuerung
• Fläschchen-Verschließmaschinen
• Validierungsberichte
• F&E-Betrieb
• Fläschchenwaschanlagen
• Fläschchenetikettierung

Stahlindustrie

• Maschinensteuerung
• Ofensteuerungssysteme

Verpackung und Etikettierung

• Materialpositionierung
• Lagerverwaltungssysteme
• Produktfördersysteme

Ist eine SPS das Richtige für Ihre Branche?

1. Werden SPS für Ihre Fertigung benötigt?

Grundlegend, aber das Verständnis der Anwendungsanforderungen bestimmt, ob SPS die beste Wahl für Ihr Automatisierungssystem sind. Typische Fabrikautomationsanwendungen, für die SPS konzipiert sind, beinhalten die Fertigung/Montage spezifischer Artikel. Diese umfassen eine oder mehrere Maschinen und umfangreiche Materialbewegungen. Typischerweise überwacht ein Bediener den Fortschritt durch die Fertigungslinie. Diese Prozesse sind stark logikgesteuert und erfordern hohe Geschwindigkeiten. Oft werden sie durch SPS in Kombination mit Human Machine Interface (HMI) gesteuert.

2. Produktwert versus Stillstandskosten

Ist der Produktwert relativ gering und/oder führen Stillstände zu Produktionsausfall ohne nennenswerte Zusatzkosten oder Prozessschäden, ist die SPS eine gute Wahl. Für bedarfsorientierte Fertigung, bei der die Produktion nicht kontinuierlich läuft und geplante Abschaltungen für Wartung, Fehlersuche oder Upgrades geringe Auswirkungen haben, ist die SPS-Anwendung ideal.

3. Was braucht ein erfolgreicher Bediener?

In einer SPS-Umgebung behandelt der Bediener hauptsächlich Ausnahmen. Statusinformationen und Alarme halten ihn über den Prozessablauf informiert. Dies ist die Definition von „Lights-Out Manufacturing“. Wenn ein Bediener nur zur Überwachung benötigt wird, könnte ein SPS-System passen.

4. Welche Fertigungsleistung wird angestrebt?

SPS sind für Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit hohen Abtastraten ausgelegt – Bewegungssteuerung, Hochgeschwindigkeitsverriegelung, Motor- und Antriebssteuerung. Hohe Abtastraten sind notwendig, um diese Geräte voll effektiv zu steuern. Dies macht sie ideal für den On-Demand-Produktmarkt.

5. Besteht Bedarf an Individualisierung?

SPS wurden als „Könige der Anpassbarkeit“ konzipiert. Die Entwicklung benutzerdefinierter Routinen und Funktionen ist erforderlich, um einzigartige Anwendungsbedürfnisse zu erfüllen. Ein Systemintegrator kann heute eine Fertigungsmaschine steuern und morgen dieselbe SPS in ein völlig anderes System überführen – durch Neuprogrammierung. Das ist die Kraft programmierbarer Logiksteuerungen.

6. Engineering-Erwartungen?

Fabrikautomationsingenieure wünschen sich anpassbare Plattformen, auf denen einzelne Komponenten für die gewünschte Aufgabe neu programmierbar sind. Integratoren und Ingenieure nutzen die SPS und beginnen mit der Programmierung basierend auf ihren Bedürfnissen. Die von SPS bereitgestellten Werkzeuge unterstützen typischerweise einen „Bottom-up“-Engineering-Ansatz, der für kleinere Anwendungen hervorragend funktioniert.

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Fazit

SPS haben sich in der Automatisierungsindustrie durch hohe Produktionsgeschwindigkeiten und Systemflexibilität etabliert. Sie gibt es seit langem, doch sie entwickeln sich weiter zu mächtigen Werkzeugen für jede industrielle Anwendung. Nächste Woche gehen wir auf die richtige SPS-Auswahl für Ihre Anwendung und das Verständnis von SPS-Dokumentation ein.

Würde eine SPS Ihrer Anlage helfen? Lassen Sie uns in den Kommentaren wissen, was Sie automatisieren möchten.

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