Industrielle Automatisierung: Ein umfassender Leitfaden zur SPS-Programmierung

Die industrielle Automatisierung revolutioniert weltweit die Fertigung, die Energiewirtschaft, das Transportwesen und unzählige andere Sektoren. Im Herzen dieser Revolution steht die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), ein spezialisierter Computer, der industrielle Prozesse steuert und automatisiert. Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden Überblick über die SPS-Programmierung und behandelt deren Grundlagen, Anwendungen, Best Practices und zukünftige Trends.

Was ist eine SPS?

Eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein digitaler Computer, der zur Automatisierung elektromechanischer Prozesse eingesetzt wird, wie z. B. die Steuerung von Maschinen an Fließbändern in Fabriken, Fahrgeschäften oder Beleuchtungsanlagen. SPSen sind für vielfältige Anordnungen von digitalen und analogen Ein- und Ausgängen, erweiterte Temperaturbereiche, Störfestigkeit gegenüber elektrischem Rauschen und Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen und Stöße ausgelegt. Programme zur Steuerung des Maschinenbetriebs werden typischerweise in batteriegepuffertem oder nichtflüchtigem Speicher abgelegt.

Im Gegensatz zu Allzweckcomputern sind SPSen speziell für industrielle Umgebungen konzipiert. Sie sind robust, zuverlässig und können rauen Bedingungen wie extremen Temperaturen, Feuchtigkeit und Vibrationen standhalten. Ihr modularer Aufbau ermöglicht eine einfache Erweiterung und Anpassung an spezifische Anwendungsanforderungen.

Warum SPSen für die industrielle Automatisierung verwenden?

SPSen bieten zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen relaisbasierten Steuerungssystemen, was sie zur bevorzugten Wahl für die industrielle Automatisierung macht:

Flexibilität: SPSen können leicht umprogrammiert werden, um sich an ändernde Prozessanforderungen anzupassen. Dies macht eine Neuverkabelung überflüssig, die bei relaibasierten Systemen oft erforderlich ist.
Zuverlässigkeit: SPSen sind für raue Industrieumgebungen ausgelegt und bieten hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit.
Kosteneffizienz: Während die Anschaffungskosten einer SPS höher sein können als die eines relaisbasierten Systems, überwiegen die langfristigen Kosteneinsparungen durch reduzierte Ausfallzeiten, Wartung und Energieverbrauch oft die Anfangsinvestition.
Diagnose: SPSen bieten erweiterte Diagnosefunktionen, mit denen Bediener Probleme schnell identifizieren und beheben können.
Integration: SPSen können leicht in andere industrielle Automatisierungssysteme wie Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)-Systeme und Human-Machine Interfaces (HMIs) integriert werden.

Grundlagen der SPS-Programmierung

Die SPS-Programmierung umfasst die Erstellung einer Reihe von Anweisungen, die die SPS ausführt, um den automatisierten Prozess zu steuern. Für die SPS-Programmierung werden üblicherweise mehrere Programmiersprachen verwendet, darunter:

Kontaktplan (KOP): Der Kontaktplan ist die am weitesten verbreitete SPS-Programmiersprache. Es ist eine grafische Sprache, die Symbole verwendet, die elektrischen Relaisschaltungen ähneln. Sie ist leicht zu erlernen und zu verstehen, insbesondere für Elektriker und Techniker, die mit relaibasierten Systemen vertraut sind.
Funktionsbaustein-Diagramm (FBD): FBD ist eine grafische Sprache, die Funktionsbausteine verwendet, um verschiedene Funktionen wie UND, ODER, Timer und Zähler darzustellen. Sie eignet sich gut für komplexe Steuerungsanwendungen.
Strukturierter Text (ST): ST ist eine textbasierte Hochsprache, die Pascal oder C ähnelt. Sie eignet sich für komplexe Algorithmen und mathematische Berechnungen.
Anweisungsliste (AWL): AWL ist eine maschinennahe, assemblerähnliche Sprache. Sie bietet direkten Zugriff auf die internen Register und den Speicher der SPS.
Ablaufsteuerung (SFC): SFC ist eine grafische Sprache, die die Abfolge von Operationen in einem Steuerungsprozess darstellt. Sie ist nützlich für den Entwurf und die Implementierung komplexer sequentieller Steuerungssysteme.

Programmierung in Kontaktplan

Der Kontaktplan basiert auf dem Konzept von „Sprossen“, die elektrische Stromkreise darstellen. Jede Sprosse besteht aus Eingangsbedingungen (Kontakten) und Ausgangsaktionen (Spulen). Die SPS scannt das Kontaktplanprogramm von oben nach unten und wertet jede Sprosse aus. Wenn die Eingangsbedingungen auf einer Sprosse wahr sind, wird die Ausgangsspule aktiviert. Hier ist ein einfaches Beispiel:

  --]( )--------------------( )--
  | Eingang 1              Ausgang 1 |
  --]( )--------------------( )--

In diesem Beispiel wird, wenn Eingang 1 wahr ist (z. B. ein Sensor aktiviert ist), Ausgang 1 aktiviert (z. B. ein Motor startet).

Programmierung mit Funktionsbaustein-Diagramm

Funktionsbaustein-Diagramme (FBD) verwenden Blöcke, um Funktionen wie UND, ODER, Timer, Zähler und PID-Regler darzustellen. Die Ein- und Ausgänge dieser Blöcke werden verbunden, um einen Steuerungsalgorithmus zu erstellen. Zum Beispiel:

     +-------+
Eingang1-->| UND   |--> Ausgang
Eingang2-->|       |
     +-------+

Dieses FBD zeigt ein UND-Gatter. Der Ausgang ist nur dann wahr, wenn sowohl Eingang1 als auch Eingang2 wahr sind.

Programmierung in Strukturiertem Text

Strukturierter Text (ST) ermöglicht komplexere mathematische Operationen und logische Ausdrücke. Er ähnelt einer Hochsprache und eignet sich daher für komplizierte Algorithmen.

IF Eingang1 AND (Eingang2 OR Eingang3) THEN
  Ausgang := TRUE;
ELSE
  Ausgang := FALSE;
END_IF;

Dieser ST-Codeausschnitt führt eine bedingte Operation durch. Wenn Eingang1 wahr ist und entweder Eingang2 oder Eingang3 wahr ist, wird der Ausgang auf TRUE gesetzt; andernfalls wird er auf FALSE gesetzt.

Arbeitsablauf der SPS-Programmierung

Der typische Arbeitsablauf bei der SPS-Programmierung umfasst die folgenden Schritte:

Definieren der Anwendung: Definieren Sie klar den Prozess, der automatisiert werden soll, einschließlich Eingängen, Ausgängen und Steuerungslogik.
Auswahl der SPS: Wählen Sie eine SPS, die den Anforderungen der Anwendung in Bezug auf E/A-Kapazität, Speicher, Verarbeitungsleistung und Kommunikationsfähigkeiten entspricht.
Entwurf der Steuerungslogik: Entwickeln Sie das SPS-Programm unter Verwendung einer geeigneten Programmiersprache (z. B. Kontaktplan, FBD, ST).
Simulation und Test: Verwenden Sie Simulationssoftware, um das SPS-Programm zu testen und seine Funktionalität zu überprüfen.
Herunterladen und Inbetriebnahme: Laden Sie das SPS-Programm auf die SPS herunter und nehmen Sie das System in Betrieb, indem Sie es mit der tatsächlichen Hardware testen.
Wartung und Fehlerbehebung: Warten Sie das SPS-System regelmäßig und beheben Sie auftretende Probleme.

Schlüsselkomponenten eines SPS-Systems

Ein SPS-System besteht typischerweise aus den folgenden Schlüsselkomponenten:

CPU (Zentraleinheit): Das „Gehirn“ der SPS, verantwortlich für die Ausführung des Programms und die Steuerung der E/A-Module.
Stromversorgung: Liefert die notwendige Energie zum Betrieb der SPS.
Eingangsmodule: Empfangen Signale von Sensoren und anderen Eingabegeräten im Feld. Beispiele sind Näherungssensoren, Drucksensoren und Temperatursensoren.
Ausgangsmodule: Senden Signale an Aktoren und andere Ausgabegeräte im Feld. Beispiele sind Motoren, Ventile und Leuchten.
Programmiergerät: Wird zum Erstellen, Bearbeiten und Herunterladen des SPS-Programms verwendet. Dies ist typischerweise ein Computer mit SPS-Programmiersoftware.
Kommunikationsschnittstellen: Ermöglichen der SPS die Kommunikation mit anderen Geräten wie HMIs, SCADA-Systemen und anderen SPSen. Gängige Schnittstellen sind Ethernet, seriell und Feldbus.

SPS-Anwendungen in verschiedenen Branchen

SPSen werden in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen eingesetzt, darunter:

Fertigung: Montagelinien, Roboterschweißen, Verpackung, Materialtransport und Prozesssteuerung. In der Automobilfertigung steuern SPSen beispielsweise Roboter, die Schweiß-, Lackier- und Montagearbeiten durchführen.
Energie: Stromerzeugung, -verteilung und -übertragung; Öl- und Gasförderung und -raffination; erneuerbare Energiesysteme. SPSen überwachen und steuern den Betrieb von Kraftwerken und gewährleisten eine effiziente und zuverlässige Energieerzeugung.
Transport: Verkehrsleitsysteme, Eisenbahnsignalisierung, Flughafen-Gepäckförderanlagen und fahrerlose Transportsysteme (FTS). SPSen steuern die Bewegung von Zügen und gewährleisten einen sicheren und effizienten Bahnbetrieb.
Wasser- und Abwasserbehandlung: Pumpensteuerung, Ventilsteuerung und Überwachung von Wasserqualitätsparametern. SPSen automatisieren den Aufbereitungsprozess und gewährleisten sauberes und sicheres Wasser für den Verbrauch.
Gebäudeautomatisierung: HLK-Steuerung, Beleuchtungssteuerung, Sicherheitssysteme und Aufzugssteuerung. SPSen optimieren den Energieverbrauch und verbessern den Gebäudekomfort.
Lebensmittel- und Getränkeindustrie: Dosieren, Mischen, Abfüllen und Verpacken. SPSen gewährleisten eine gleichbleibende Produktqualität und effiziente Produktionsprozesse.

Best Practices für die SPS-Programmierung

Um einen zuverlässigen und effizienten SPS-Betrieb zu gewährleisten, ist es unerlässlich, Best Practices für die SPS-Programmierung zu befolgen:

Verwenden Sie ein modulares Design: Gliedern Sie das SPS-Programm in kleinere, wiederverwendbare Module. Dies macht das Programm leichter verständlich, wartbar und fehlersicher.
Dokumentieren Sie Ihren Code: Fügen Sie Kommentare zum SPS-Programm hinzu, um die Funktionalität jedes Codeabschnitts zu erklären. Dies ist für Wartung und Fehlerbehebung unerlässlich.
Verwenden Sie aussagekräftige Variablennamen: Verwenden Sie beschreibende Variablennamen, die den Zweck jeder Variable klar angeben.
Implementieren Sie eine Fehlerbehandlung: Fügen Sie Fehlerbehandlungsroutinen in das SPS-Programm ein, um Fehler zu erkennen und darauf zu reagieren.
Testen Sie gründlich: Testen Sie das SPS-Programm gründlich, bevor Sie es im Feld einsetzen. Verwenden Sie Simulationssoftware, um das Programm in einer sicheren und kontrollierten Umgebung zu testen.
Befolgen Sie Industriestandards: Halten Sie sich an Industriestandards und Best Practices für die SPS-Programmierung, wie z. B. IEC 61131-3.
Sichern Sie Ihre SPS: Implementieren Sie Sicherheitsmaßnahmen, um die SPS vor unbefugtem Zugriff und Cyberangriffen zu schützen.

SCADA- und HMI-Integration

SPSen werden oft mit Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)-Systemen und Human-Machine Interfaces (HMIs) integriert, um den Bedienern einen umfassenden Überblick über den automatisierten Prozess zu geben. SCADA-Systeme sammeln Daten von SPSen und anderen Geräten und ermöglichen es den Bedienern, den gesamten Prozess von einem zentralen Ort aus zu überwachen und zu steuern. HMIs bieten eine grafische Benutzeroberfläche, über die Bediener mit der SPS interagieren und Prozessdaten einsehen können. Sie ermöglichen es menschlichen Bedienern, industrielle Prozesse effektiv zu überwachen und zu steuern.

Ein SCADA-System in einer Wasseraufbereitungsanlage könnte beispielsweise Echtzeitdaten von SPSen anzeigen, die Pumpen, Ventile und Sensoren steuern. Bediener können das SCADA-System verwenden, um Sollwerte anzupassen, Geräte zu starten oder zu stoppen und Alarmzustände zu überwachen. Das HMI würde eine visuelle Darstellung des Anlagenlayouts bieten, die den Status jeder Komponente anzeigt.

Zukünftige Trends in der SPS-Programmierung

Die SPS-Technologie entwickelt sich ständig weiter, um den Anforderungen der modernen industriellen Automatisierung gerecht zu werden. Einige der wichtigsten Trends in der SPS-Programmierung umfassen:

Zunehmende Nutzung von Open-Source-Software: Open-Source-Software wird in der industriellen Automatisierung immer beliebter und bietet größere Flexibilität und Anpassungsmöglichkeiten.
Cloud-Integration: SPSen werden zunehmend mit der Cloud verbunden, was Fernüberwachung, -steuerung und -datenanalyse ermöglicht. Dies ermöglicht eine vorausschauende Wartung und verbesserte Betriebseffizienz.
Verbesserungen der Cybersicherheit: Da SPSen immer vernetzter werden, gewinnt die Cybersicherheit zunehmend an Bedeutung. Hersteller implementieren Sicherheitsmaßnahmen, um SPSen vor Cyberangriffen zu schützen.
Edge Computing: Edge Computing beinhaltet die Verarbeitung von Daten näher an der Quelle, was die Latenzzeit reduziert und die Reaktionszeiten verbessert. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, die eine Echtzeitsteuerung erfordern.
Künstliche Intelligenz (KI) und Maschinelles Lernen (ML): KI und ML werden eingesetzt, um die SPS-Leistung zu verbessern und industrielle Prozesse zu optimieren. Beispielsweise können KI-Algorithmen verwendet werden, um Geräteausfälle vorherzusagen und den Energieverbrauch zu optimieren.

Schulungen und Ressourcen zur SPS-Programmierung

Um ein kompetenter SPS-Programmierer zu werden, ist es unerlässlich, eine angemessene Ausbildung und Erfahrung zu erwerben. Es stehen mehrere Schulungsoptionen zur Verfügung, darunter:

Online-Kurse: Zahlreiche Online-Kurse bieten Schulungen zur SPS-Programmierung an, die verschiedene Programmiersprachen und SPS-Plattformen abdecken.
Fachschulen: Fach- und Berufsschulen bieten SPS-Programmierkurse im Rahmen ihrer Automatisierungs- und Steuerungsprogramme an.
Schulungen der SPS-Hersteller: SPS-Hersteller bieten Schulungen zu ihren spezifischen SPS-Plattformen an.
Training am Arbeitsplatz: Das Training am Arbeitsplatz bietet praktische Erfahrung mit der SPS-Programmierung und Fehlerbehebung.

Zusätzlich zur Schulung stehen SPS-Programmierern mehrere Ressourcen zur Verfügung:

Websites der SPS-Hersteller: Die Websites der SPS-Hersteller bieten Dokumentationen, Software-Downloads und technischen Support.
Online-Foren: Online-Foren bieten eine Plattform für SPS-Programmierer, um Fragen zu stellen, Wissen auszutauschen und an Projekten zusammenzuarbeiten.
Bücher zur SPS-Programmierung: Mehrere Bücher bieten eine umfassende Abdeckung von Konzepten und Techniken der SPS-Programmierung.

Globale Normen und Vorschriften

Die SPS-Programmierung und die industrielle Automatisierung unterliegen verschiedenen internationalen Normen und Vorschriften. Einige wichtige Normen sind:

IEC 61131-3: Diese internationale Norm definiert die Programmiersprachen für Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS).
ISO 13849: Diese Norm legt Sicherheitsanforderungen für sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen fest.
UL 508: Diese Norm deckt industrielle Steuerungsgeräte ab.
CE-Kennzeichnung: Diese Kennzeichnung zeigt an, dass ein Produkt den Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltschutzstandards der Europäischen Union entspricht.

Die Einhaltung dieser Normen und Vorschriften ist unerlässlich, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von industriellen Automatisierungssystemen zu gewährleisten.

Fazit

Die SPS-Programmierung ist eine entscheidende Fähigkeit für Fachleute der industriellen Automatisierung. SPSen spielen eine entscheidende Rolle bei der Automatisierung industrieller Prozesse, der Effizienzsteigerung und der Kostensenkung. Durch das Verständnis der Grundlagen der SPS-Programmierung, die Befolgung von Best Practices und das Informieren über die neuesten Trends können Ingenieure und Techniker SPS-basierte Automatisierungssysteme effektiv entwerfen, implementieren und warten.

Von Automobil-Montagelinien bis hin zu Wasseraufbereitungsanlagen – SPSen verändern Industrien weltweit. Mit fortschreitender Technologie wird die Rolle von SPS-Programmierern bei der Gestaltung der Zukunft der industriellen Automatisierung noch wichtiger werden.