- Was ist eine SPS und Automatisierungstechnik
- Visuelle Karte der Automatisierungstechnik
- Die Automatisierungspyramide: 5 Ebenen
- Wie eine SPS arbeitet: der Zyklus
- Sprachen und Kontaktplan
- Beispiel: E/A und Reaktionszeit dimensionieren
- SCADA und HMI: die Leitebene
- Ein Automatisierungsprojekt strukturieren
- Häufige Fehler und Grenzen
- Häufige Fragen
Was ist eine SPS und Automatisierungstechnik
Die SPS (speicherprogrammierbare Steuerung, englisch PLC) ist der Industrierechner, der Sensoren liest, ein Programm abarbeitet und Motoren, Ventile und Leuchten in Millisekundenzyklen ansteuert. Die Automatisierungstechnik ist das System um sie herum: Sensoren und Aktoren, HMI und SCADA, geordnet in Ebenen, der sogenannten Automatisierungspyramide.
Wer die Pyramide versteht, vermeidet zwei typische Fehler: das ERP eine Maschine steuern zu lassen und die SPS die Produktion planen zu lassen. Jede Ebene hat eine Aufgabe, eine Reaktionszeit und eine Datenart. Sie ist die Grundlage jedes Industrie-4.0-Projekts in der Fertigung.
Visuelle Karte der Automatisierungstechnik
Die Karte zeigt die Pyramide, den Zyklus der SPS, die Sprachen der IEC 61131-3 und das Dimensionierungsbeispiel dieses Artikels.
Die Automatisierungspyramide: 5 Ebenen
| Ebene | Schicht | Aufgabe | Typische Reaktionszeit |
|---|---|---|---|
| 0 | Feldebene | Sensoren, Aktoren, Motoren, Ventile | Sofort (physikalisches Signal) |
| 1 | Steuerungsebene | SPS, Antriebe, Motion-Controller | Millisekunden |
| 2 | Leitebene | HMI und SCADA: visualisieren, alarmieren, protokollieren | Hunderte ms bis Sekunden |
| 3 | Betriebsebene | MES: Aufträge, Rückmeldung, Rückverfolgbarkeit | Sekunden bis Minuten |
| 4 | Unternehmensebene | ERP: Aufträge, Bestand, Kosten | Minuten bis Stunden |
Die Nummerierung folgt dem Modell ISA-95 (Ebenen 0 bis 4). Je höher die Ebene, desto geringer die Datenfrequenz und desto länger der Entscheidungshorizont. Das Bindeglied zwischen Ebene 2 und 4 ist das MES, das den ERP-Auftrag in Maschinenanweisungen übersetzt und das Produzierte zurückmeldet. Die Rückmeldung des Fertigungsauftrags ist ein typisches Beispiel für dieses Gespräch.
Wie eine SPS arbeitet: der Zyklus
Die SPS wiederholt ständig vier Aufgaben, den zyklischen Programmablauf (Scan):
- Eingänge lesen (Taster, Sensoren) und ein Abbild im Speicher ablegen.
- Anwenderprogramm abarbeiten, Anweisung für Anweisung, auf diesem Abbild.
- Ausgänge schreiben (Schütze, Magnetventile) mit dem Ergebnis.
- Kommunikation und interne Diagnose bedienen.
Da die SPS zyklisch arbeitet, „sieht“ sie keinen Impuls, der kürzer ist als ihre Zykluszeit plus Eingangsfilter. Für schnelle Ereignisse (hochfrequentes Zählen, Drehgeber) nutzt man dedizierte Eingänge oder schnelle Zählermodule.
Typische Hardware: CPU, Netzteil, Module für digitale Eingänge (DI), digitale Ausgänge (DO), analoge Eingänge (AI) und analoge Ausgänge (AO) sowie das Kommunikationsnetz. Gängige Industrieprotokolle sind Modbus, PROFINET, EtherNet/IP und OPC UA.
Sprachen und Kontaktplan
Die Norm IEC 61131-3 (in Deutschland DIN EN 61131-3) definiert die Programmiersprachen der SPS: Kontaktplan (KOP, englisch Ladder, LD), Funktionsbausteinsprache (FBS), Strukturierter Text (ST) und Ablaufsprache (AS). Die Anweisungsliste (AWL) stammt aus älteren Ausgaben und wird kaum noch genutzt. Der Kontaktplan bildet den Relais-Stromlaufplan nach, weshalb ihn Elektriker und Instandhalter bevorzugen.
Das klassische Beispiel ist der Motorstart mit Selbsthaltung. Eingänge: Taster Ein (Schließer), Taster Aus und Motorschutz (beide Öffner in Reihe, sodass ein Drahtbruch den Motor stoppt). Die Logik der Strompfade lautet:
Motor = (Ein ODER Motor) UND Aus_ok UND Motorschutz_ok
| Zustand | Ein | Motor (Selbsthaltung) | Aus und Motorschutz ok | Ausgang Motor |
|---|---|---|---|---|
| Ruhe | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Ein gedrückt | 1 | 0 | 1 | 1 |
| Ein losgelassen (Selbsthaltung hält) | 0 | 1 | 1 | 1 |
| Aus gedrückt oder Motorschutz löst aus | 0 | 1 | 0 | 0 |
Der Sicherheitshinweis: Not-Halt und Personenschutz brauchen einen eigenen Kreis mit Sicherheitsrelais oder Sicherheits-SPS und dürfen nicht allein vom Standardprogramm abhängen. Mehr dazu unter Maschinensicherheit und Lean.
Beispiel: E/A und Reaktionszeit dimensionieren
Fiktives Beispiel einer Abfüllzelle. Die Signalaufnahme ergab: 24 digitale Eingänge, 16 digitale Ausgänge, 8 analoge Eingänge und 4 analoge Ausgänge. Übliche Regel: 20% Reserve für Erweiterungen einplanen und auf verfügbare Baugruppen aufrunden (DI und DO mit 16 Punkten, AI mit 4 Kanälen, AO mit 2 Kanälen).
| Typ | Punkte | Mit 20% | Baugruppe | Anzahl | Installierte Punkte |
|---|---|---|---|---|---|
| DI | 24 | 28,8 | 16 Punkte | 2 | 32 |
| DO | 16 | 19,2 | 16 Punkte | 2 | 32 |
| AI | 8 | 9,6 | 4 Kanäle | 3 | 12 |
| AO | 4 | 4,8 | 2 Kanäle | 3 | 6 |
Summe: 10 E/A-Baugruppen. Das Aufrunden ergibt bei DI und DO eine reale Reserve über 20% (32 Punkte bei 24 genutzten, 33%).
Dann die Reaktionszeit. Dauert der Zyklus 1 ms (Eingänge) + 3 ms (Programm) + 1 ms (Ausgänge) + 1 ms (Kommunikation) = 6 ms, beträgt der ungünstigste Fall vom Eingang zum Ausgang etwa 2 Zyklen = 12 ms: Das Signal kann sich kurz nach dem Einlesen ändern, auf den nächsten Zyklus warten und erst dann verarbeitet und geschrieben werden. Hinzu kommen Eingangsfilter und Verzögerung der Ausgangsbaugruppe. Für ein Förderband mit 50 ms Reaktionsbudget genügen 12 ms; für ein Ereignis von 5 ms nicht.
Zuletzt die analoge Messung. Ein Drucksensor 0 bis 10 bar mit 4-bis-20-mA-Signal:
Druck = (I − 4) ÷ 16 × Messbereich
Bei 12 mA: (12 − 4) ÷ 16 × 10 = 5 bar. Bei 13,6 mA: (13,6 − 4) ÷ 16 × 10 = 6 bar. Fällt der Strom unter etwa 3,8 mA, sollte das Programm dies als Drahtbruch werten und nicht als „Druck null“. Das ist der Vorteil des lebenden Nullpunkts bei 4 mA.
SCADA und HMI: die Leitebene
Das HMI ist das lokale Bedienfeld der Maschine: Der Werker startet, passt Rezepte an und sieht Alarme. SCADA fasst viele Maschinen und Bereiche zusammen: Es zeigt den Prozess in Anlagenbildern, erzeugt priorisierte Alarme, speichert Trends und Historie und kommuniziert mit dem MES. SCADA regelt nicht in Echtzeit; den Regelkreis schließt die SPS, SCADA sendet Sollwerte und empfängt Istwerte.
SCADA-Daten speisen Kennzahlen wie die OEE und lösen zusammen mit einem CMMS die Instandhaltung aus. SPS-Signale tragen auch das Andon und den automatischen Halt nach Jidoka.
Ein Automatisierungsprojekt strukturieren
- Prozess beschreiben und Abläufe (Flussdiagramm oder Ablaufsprache) festlegen, bevor programmiert wird.
- Signale aufnehmen (E/A-Liste) und Reserve einplanen.
- Standardisieren: Namen für Variablen, Bausteine und Bilder.
- Sicherheit trennen von der Standardlogik.
- Testen in der Simulation und bei stehender Maschine vor dem Einschalten.
- Dokumentieren und sichern: Programm-Backup und Versionsverwaltung.
Häufige Fehler und Grenzen
- ERP direkt an die Maschine koppeln, ohne MES oder Zwischenschicht, was eine fragile Abhängigkeit erzeugt.
- Programmieren ohne E/A-Liste und ohne Reserve.
- Sicherheit mit Standardlogik vermischen.
- Die Zykluszeit ignorieren bei schnellen Ereignissen.
- Das Automatisierungsnetz offen lassen zum Büronetz, ohne Segmentierung und Zugriffskontrolle.
- Kein Backup und keine Dokumentation des Programms.
Häufige Fragen
Was ist eine SPS?
Eine speicherprogrammierbare Steuerung: ein Industrierechner, der Eingänge liest, ein Programm abarbeitet und Ausgänge in Millisekundenzyklen ansteuert.
Welche Ebenen hat die Automatisierungspyramide?
Feldebene (0), Steuerungsebene mit SPS (1), Leitebene mit HMI und SCADA (2), Betriebsebene mit MES (3) und Unternehmensebene mit ERP (4).
Was ist der Unterschied zwischen SPS und SCADA?
Die SPS steuert die Maschine in Echtzeit. SCADA überwacht mehrere SPS, zeigt den Prozess, erzeugt Alarme und speichert die Historie.
Was ist der Kontaktplan?
Eine grafische SPS-Sprache in Form von Strompfaden, ähnlich einem Relais-Stromlaufplan. Sie ist in der IEC 61131-3 definiert.
Was ist die Zykluszeit?
Die Zeit, die die SPS zum Lesen der Eingänge, Abarbeiten des Programms und Schreiben der Ausgänge braucht. Im Beispiel 6 ms, mit ungünstigster Reaktion von etwa 12 ms.
Wie rechnet man 4 bis 20 mA in Druck um?
Druck = (I − 4) ÷ 16 × Messbereich. Bei 12 mA und einem Sensor 0 bis 10 bar sind das 5 bar.
Quellen
- DIN EN 61131-3 (IEC 61131-3). Speicherprogrammierbare Steuerungen — Programmiersprachen. Beuth.
- ANSI/ISA-95. Enterprise-Control System Integration. ISA.
- WELLENREUTHER, G.; ZASTROW, D. Automatisieren mit SPS. Springer Vieweg.
- PETRUZELLA, F. D. Programmable Logic Controllers. McGraw-Hill.
Zum Weiterlernen: verlässliche Quellen und Links
- Plattform Industrie 4.0 (auf Englisch)
- SENAI: educação profissional e tecnológica para a indústria (auf Portugiesisch)
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Über den Autor
Spezialist für Lean Manufacturing und Verhaltensmanagement
Über 20 Jahre in der Automobil- und Metallindustrie (GM und Dana), Praktiker für Lean Manufacturing seit 2006. SENAI-Dozent und Mentor im brasilianischen Programm Brasil Mais Produtivo, mit Beratung, Schulung und Audits für über 50 Unternehmen. Er verbindet Qualität, Produktivität und Personalentwicklung.
