Seit ihrer Erfindung vor über 50 Jahren hat die SPS immer mehr Aufgaben übernommen und sich vom PAC (Programmable Automation Controller) zum Edge Controller entwickelt. Auch in der industriellen Mess- und Prüftechnik ist die SPS längst ein vertrauter Anblick.
Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind Industriecomputer, die industrielle Automatisierungsanwendungen steuern und überwachen, Aufgaben im Zusammenhang mit Prüf- und Messprozessen übernehmen und verfahrenstechnische Funktionen, auch in HLK-Anlagen, ausführen. Sie empfangen Daten von Sensoren und Eingabegeräten, verarbeiten die Daten, um logikbasierte Entscheidungen zu treffen, und geben Steuerbefehle an mechanische oder elektrische Systeme. Als eine Art eingebettetes System kombinieren sie Computerprozessor und Speicher mit I/O-Komponenten – ähnlich wie die festverdrahtete Relais-basierte Logik und PC-basierte Logik, mit denen sie konkurrieren.
Was die physische Form angeht, können SPS heute alles sein, von einem einfachen Computer bis hin zu einer großen, im Rack montierten Sammlung von Steuerungsunterkomponenten, die in mehreren Chassis untergebracht sind. Einfachere SPS auf Basis von Mikrocontrollern oder SoCs können extrem zuverlässig sein und mit sehr geringem Stromverbrauch arbeiten. Im Gegensatz dazu verschwimmen bei den komplexesten SPS die Grenzen zwischen dem, was eine SPS ausmacht, und Industriecomputern für die Echtzeitsteuerung, obwohl erstere immer noch auf Zuverlässigkeit und Echtzeitleistung ausgerichtet sind.
Ursprünglich sollten SPS die festverdrahtete Steuerlogik auf Basis von Relais und Drum-Sequenzern direkt ersetzen. Diese frühen SPS mussten nur grundlegende Operationen ausführen, indem sie Eingänge in Ausgänge umwandelten. Alle Maschinenaufgaben, die eine Proportional-Integral-Differential-Steuerung (PID) erforderten, wurden an eine angeschlossene Analogelektronik ausgelagert. PID-Regelungen und noch ausgeklügeltere Operationen sind jetzt ein Standardbestandteil der SPS-Befehlssätze.
Tatsächlich haben sich die von PLCs erwarteten Funktionen im Laufe der Zeit erweitert, was viele PLCs heutzutage recht ausgereift und in der Lage ist, komplizierte und adaptive Routinen auszuführen. Die stetig steigende Leistung und die immer kleiner werdenden Abmessungen von Halbleiterchips (nach Moore's Law) haben kleinere Controller immer intelligenter gemacht. Dieser Trend setzt sich mit der integrierten Unterstützung von Motorsteuerung, Bildverarbeitungssystemen und Kommunikationsprotokollen fort. Am anderen Ende des SPS-Größenspektrums integrieren Programmable Automation Controller (PACs) - von einigen Herstellern so genannt - eine SPS mit einem PC, um SPS und proprietäre Steuerungssysteme (die mit proprietären Programmiersprachen laufen) in bestimmten Anwendungen zu ersetzen. Auch in Human-Machine-Interfaces (HMIs) werden immer mehr SPSen integriert.
Industrielle Automatisierung basiert heute auf Rückmeldungen und Betriebsdaten von Maschinen sowie auf komplexen Verbindungen zwischen digitalen Geräten, um diese zu steuern, Funktionen für die IIoT-Konnektivität und Rekonfigurierbarkeit von Maschinen auszuführen, um auch menschliche Entscheidungen über unterschiedliche Maschinen- und Betriebszustände zu ermöglichen als Gesamtproduktivität und zur Verbesserung der Werkstückqualität. Heutige Automatisierungsarchitekturen beinhalten unterschiedliche Systeme, die diese Daten speichern, verarbeiten und bereitstellen.
Materialbedarfsplanungs- oder Manufacturing Resources Planning (MRP)-Systeme bieten Produktionsplanung, Terminplanung sowie Finanz- und Bestandskontrolle. Im Gegensatz dazu speichern Historiensysteme Zeitreihendaten von Sensoren und Instrumenten zur grafischen Darstellung, um Bedienern und Managementsystemen zu helfen, Entwicklungen im Automatisierungssystem zu verstehen und zu verarbeiten. Die statistische Prozesskontrolle (SPC) ist eine historische Anwendung.
Mit HMIs können Bediener Daten visualisieren und Befehle erteilen. Eng verwandt mit den HMI-Funktionen sind Monitoring-, Steuerungs- und Datenerfassungssysteme (SCADA), die eine Echtzeitsteuerung und Überwachung der Interaktionen zwischen automatisierten Maschinen mit ihren HMIs und Historien ermöglichen. Mit SCADA kann ein HMI mehrere Maschinen steuern und Daten auf mehreren Geräten anzeigen. Manufacturing Execution Systems (MES) beinhalten Funktionen wie Arbeitsvorbereitung und Datenerfassung. Sie sind gewissermaßen als Zwischenschritt zu sehen und überschneiden sich mit MRP und SCADA. Enterprise-Resource-Planning-Systeme (ERP) integrieren produktionsnahe MRP-, MES-, Product Lifecycle Management (PLM) und Customer Relationship Management (CRM) Software. ERP-Systeme können monolithische Software-Suiten sein, die all diese Funktionen handhaben, oder ein ERP-Kernsystem, das mit spezialisierten Anwendungen von mehreren Anbietern verbunden ist. Normalerweise interagiert nur die oberste Managementebene mit dem ERP – und die meisten Mitarbeiter in einer bestimmten Organisation interagieren mit einem der Komponentensysteme, die in das ERP eingehen.
SPS arbeiten normalerweise auf einer Ebene unterhalb dieser Unternehmenssoftwaresysteme. Sie senden und empfangen Informationen zu und von Maschinen, Motoren und Sensoren. Sie können auch mit der darüber liegenden Informationsebene interagieren, indem sie Daten an das History- oder SCADA-System senden oder Steuereingaben von SCADA oder HMI empfangen. Anspruchsvollere SPS können auch SCADA- und History-Funktionen und in immer mehr Fällen sogar HMI-Funktionen übernehmen.
SPS werden nicht nur in der Automatisierung eingesetzt, sondern auch zur Steuerung von Prüfständen (Produktentwicklung) und Messapplikationen im Labor. Automatisierung legt im Allgemeinen großen Wert auf Diagnose und erfordert einen deterministischen Echtzeitbetrieb von der SPS, um wirklich effektiv zu sein. Im Gegensatz dazu legen SPS, die für Messaufgaben eingesetzt werden, mehr Wert auf die schnelle und präzise Durchführung der Messwerterfassung und anderer Formen der Datenerfassung.
Für Anwendungen in der Maschinenautomatisierung setzen SPS auf Echtzeitverarbeitung, bei der die Verzögerung zwischen einer Eingabe und der Reaktion darauf in Millisekunden gemessen wird. Für alle bis auf die einfachsten SPS-Funktionen wird ein Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) benötigt. Während viele SPS immer noch proprietäre Betriebssysteme verwenden, besteht ein zunehmendes Interesse an Open-Source-Standardbetriebssystemen. Ein typisches Beispiel: VxWorks ist ein proprietäres RTOS, das weithin für industrielle Steuerungen lizenziert ist. Es wird von mehreren Roboterherstellern wie Kuka und ABB verwendet. Eine Open-Source-Variante ist FreeRTOS, die unter einer MIT-Open-Source-Lizenz frei vertrieben wird. FreeRTOS enthält verschiedene IoT-Bibliotheken für eine Vielzahl von Automatisierungsanwendungen.
Vorbei sind die Zeiten, in denen Ingenieuren keine andere Wahl blieben, als Schnittstellenwandler und Systeme von Übertragungskanälen zu verwenden. Intelligente Peripheriegeräte und I/O-Module bieten jetzt eine erweiterte und vereinfachte Signalerfassung über digitale und analoge Eingänge. Moderne Ingenieure haben zudem mehr Möglichkeiten durch standardisierte Schnittstellen und herstellerübergreifende Kompatibilität von Komponenten, die als interoperable Komponenten dienen können. Ein Beispiel hierfür sind I/O-Komponenten mit integrierter SPS-Funktion. Sie sind kompatibel mit konfigurierbaren HMIs, die auf Windows- oder Linux-Betriebssystemen laufen und über Ethernet-Konnektivität verfügen – es gibt jedoch keine einfachen Rekalibrierungsoptionen oder analoge I/Os für Feldgeräte, die analoge Niederspannungssignale erzeugen. Solche I/O-Komponenten arbeiten auch mit SPS zusammen, die so eingerichtet sind, dass sie Daten von dezentralen I/O-Geräten und – über ihre eigenen Onboard-I/Os – direkt von Sensoren sammeln. Natürlich sind SPS nicht die einzige Option für die Maschinenautomatisierung oder Prüf- und Messtechnik. Da alle industriellen Steuerungen komplexer geworden sind, haben einige Hersteller dazu übergegangen, bestimmte Hardware als programmierbare Automatisierungssteuerungen (PACs) zu bezeichnen, um erweiterte Fähigkeiten und oft mehrere Prozessoren in einem einzigen Hardwaremodul zu identifizieren. In Wirklichkeit haben sich auch die SPS weiterentwickelt – es gibt also keine feste Regel, wann eine Hardware, die SPS-Funktionen ausführt, ein PAC darstellt. Die meisten PACs integrieren SPS- und PC-Aspekte und dienen als komplexe Automatisierungssysteme mit mehreren PC-basierten Anwendungen sowie einem HMI und einem Historiensystem. Ein deutlicher Unterschied besteht darin, dass PACs für Entwickler einfacher zu verwenden sind, da PACs eine offenere Architektur haben als herkömmliche Controller.
Eine andere Möglichkeit sind heute modulare SPS. Sie bestehen aus Modulen, die unterschiedliche Funktionen erfüllen. Alle SPS müssen ein CPU-Modul enthalten, das den Prozessor und den Speicher für das Betriebssystem und das Programm enthält. Ein separates Stromversorgungsmodul und zusätzliche Ein-/Ausgangsmodule (I/O) können bereitgestellt werden. Eine SPS kann sowohl digitale als auch analoge E/A-Module enthalten. Für die Netzwerkkommunikation kann ein weiteres Modul erforderlich sein.
Die SPS ist entweder integriert – mit allen Modulen in einem Gehäuse – oder modular. Integrierte SPS sind kompakter, aber modulare SPS sind vielseitiger. In den meisten Fällen lassen sich mehrere Module einfach miteinander verbinden, entweder durch direktes Ineinanderstecken oder durch die Nutzung eines gemeinsamen Baugruppenträgers als Bus. Module werden entsprechend ihrer Position auf dem Bus adressiert. Obwohl der physische Aspekt des Racks einem Standard wie DIN entsprechen kann, ist der Datenbus normalerweise Eigentum des SPS-Herstellers.
Mit dem wachsenden Interesse an Industrie 4.0 und IIoT wollen immer mehr Anwender ihre Industriesteuerungen über Internetprotokolle wie TCP/IP an Firmennetzwerke anbinden. Beim IIoT-Trend geht es jedoch nicht nur um die Verwendung von Internetprotokollen, sondern auch um maschinelles Lernen und Big Data. Da SPS immer leistungsfähiger werden (und fortschrittlichere Steuerungen die SPS-Funktionen zu einer von vielen machen), werden immer mehr Hostfunktionen wie Vision-Systeme verwendet. Die Internet-Konnektivität ermöglicht es Ingenieuren (über System-SPS) auch, Cloud-basierte Algorithmen zur Verarbeitung extrem großer Datensätze (Big Data) für maschinelles Lernen zu verwenden.
In der Praxis zeichnet sich für solche IIoT-SPS-Funktionen das Industrial-Ethernet-Kommunikationsprotokoll EtherCAT aus. Es eignet sich für Echtzeit-Steuerungsanwendungen mit Zykluszeiten von weniger als 0,1 ms - die schnellste Industrial-Ethernet-Technologie mit der Fähigkeit, sich mit Nanosekunden-Genauigkeit zu synchronisieren. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die Flexibilität der EtherCAT-Netzwerktopologie, die ohne Netzwerk-Hubs und Switches auskommt. Geräte können in einer Ring-, Linien-, Stern- oder Baumkonfiguration verkettet werden. Profinet ist ein konkurrierender Standard, der ähnliche Möglichkeiten bietet.
Es ist deutlich zu erkennen, dass sich der aktuelle Trend zu immer ausgefeilterer Datenerfassung und -kontrolle in der Industrie fortsetzen wird. Damit werden SPSen für die industrielle Automatisierung sowie Mess- und Prüftechnik immer vielseitiger und lassen sich in SCADA- und Historiensysteme integrieren. Auch Internetprotokolle und offene Standards wie EtherCAT werden immer häufiger für die SPS-Kommunikation verwendet. Diese Konnektivität wird wiederum den Einsatz von Industrie 4.0-Technologien wie Big Data Analytics und Machine Learning vorantreiben. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die benötigte Rechenleistung und der Speicher verteilt werden können, durch Datenverarbeitung auf Cloud-Basis und durch für die Datenverarbeitung geeignete Edge-Controller.
Abgesehen von diesen Trends wird es weiterhin einen Bedarf an traditionelleren SPS geben, die relativ einfache Test-, Mess- und Steuerfunktionen mit hoher Zuverlässigkeit und Energieeffizienz ausführen. Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Digi-Key.
ist Anwendungsingenieur bei Digi-Key Electronics. Er ist seit 2014 Teil der European Technical Support Group. Bevor er zu Digi-Key kam, arbeitete er für verschiedene Halbleiterhersteller mit Schwerpunkt auf eingebetteten FPGA-, Mikrocontroller- und Prozessorsystemen für IoT-, Industrie- und Automobilanwendungen. Er hat einen Abschluss in Elektrotechnik und Elektronik der Hochschule München.
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