Was ist eine SPS (PLC)?

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Kurzdefinition

Eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) — international meist PLC (Programmable Logic Controller) genannt — ist ein industrieller Spezialcomputer zur Steuerung von Maschinen und Anlagen. Sie liest Eingangssignale (z. B. von Sensoren), verarbeitet sie nach einem Programm und schaltet daraufhin Ausgänge (z. B. Motoren, Ventile, Relais oder Frequenzumrichter).

In einem Satz: Sensor → Logik → Aktion.

Warum wurde die SPS entwickelt?

Bevor SPS-Systeme zum Standard wurden, basierten viele industrielle Steuerungen auf Relaislogik: Schütze, Zeitrelais, Hilfsrelais und verdrahtete Signalwege bestimmten, wann welche Funktion ausgeführt wird. Das funktionierte — war aber teuer, schwer zu warten und bei Änderungen extrem unflexibel.

Typische Probleme der klassischen Relaissteuerung:

• Hoher Verdrahtungsaufwand: Viele Funktionen bedeuteten viele Komponenten und viele Kabel.
• Schwierige Fehlersuche: Ein defektes Relais oder eine lose Klemme konnte lange Stillstände verursachen.
• Änderungen waren aufwendig: Neue Abläufe erforderten Umbauten im Schaltschrank.
• Begrenzte Erweiterbarkeit: Irgendwann sind Platz, Übersicht und Budget erschöpft.

Die SPS löste das Kernproblem, indem sie Logik von der Verdrahtung in ein Programm verlegte. Statt Kabel umzustecken, wird das Programm angepasst — und die Hardware bleibt weitgehend gleich. Das war ein großer Schritt in Richtung moderner Automatisierung.

Grundaufbau einer SPS

SPS-Systeme sind modular aufgebaut. Typisch sind diese Bausteine:

1) CPU (Zentraleinheit)

Die CPU ist das „Gehirn“ der SPS. Sie führt das Steuerungsprogramm aus, verwaltet Speicherbereiche, verarbeitet Kommunikationsdaten und koordiniert Ein- und Ausgänge. Je nach System kann die CPU klein (für einzelne Maschinen) oder sehr leistungsfähig (für große Anlagen) sein.

2) Eingabemodule (Inputs)

Eingabemodule verbinden die SPS mit der realen Welt. Hier werden Signale angeschlossen wie: Taster, Endschalter, Lichtschranken, Temperatur- oder Drucksensoren. Man unterscheidet:

• Digitale Eingänge: Ein/Aus-Signale (z. B. 24 V an/aus).
• Analoge Eingänge: kontinuierliche Werte (z. B. 0–10 V oder 4–20 mA).

3) Ausgabemodule (Outputs)

Ausgänge schalten oder regeln Aktoren: Motoren, Ventile, Lampen, Relais, Schütze oder Frequenzumrichter. Auch hier gibt es digitale und analoge Varianten:

• Digitale Ausgänge: schalten Geräte ein/aus.
• Analoge Ausgänge: geben Sollwerte aus (z. B. für Drehzahl/Position/Regelgrößen).

4) Spannungsversorgung

In der Industrie ist 24 V DC ein sehr verbreiteter Standard für Steuerungstechnik. Die Spannungsversorgung ist nicht nur „Strom“, sondern auch ein Stabilitätsfaktor: saubere Versorgung, Schutz gegen Überspannungen und korrektes Erdungs-/Schirmungskonzept sind wichtig.

5) Kommunikation & Schnittstellen

Moderne SPS-Systeme sind selten isoliert. Sie sind Teil eines Netzwerks und kommunizieren mit: Bediengeräten (HMI), Leitsystemen (SCADA), anderen Steuerungen, Antrieben und Messsystemen. Häufige Technologien sind Industrial Ethernet (z. B. Profinet, EtherNet/IP) und Feldbus-Systeme.

Wie arbeitet eine SPS? Der Zyklus (Scan)

Viele SPS arbeiten in einem wiederkehrenden Ablauf, dem Zyklus (auch „Scan“ genannt). Ein vereinfachtes Modell:

1. Eingänge einlesen: Die SPS erfasst den aktuellen Zustand der Eingänge.
2. Programm ausführen: Logik, Timer, Zähler und Berechnungen werden verarbeitet.
3. Ausgänge aktualisieren: Die SPS setzt die Ausgänge entsprechend der Programmlogik.
4. Wiederholen: Der Ablauf beginnt von vorn.

Ein Zyklus dauert oft nur wenige Millisekunden. Das ist schnell genug, um viele Prozesse zuverlässig zu steuern — aber es erklärt auch typische Effekte: Eine SPS reagiert nicht „magisch sofort“, sondern im Rahmen ihres Zyklus. In der Praxis wird der Zyklus überwacht; bei zu langen Zeiten können Warnungen oder definierte Zustände ausgelöst werden.

Was wird in einer SPS programmiert?

Ein SPS-Programm beschreibt Bedingungen und Abläufe: Was muss erfüllt sein, damit etwas startet? Was muss passieren, damit etwas stoppt? Welche Reihenfolge haben Prozessschritte? Wie werden Störungen behandelt?

Ein sehr einfaches Beispiel (konzeptuell):

• Wenn Start gedrückt und Not-Aus nicht aktiv und Schutzhaube geschlossen → Motor starten.
• Wenn Schutzhaube geöffnet → Motor sofort stoppen.
• Wenn Störung erkannt → Anlage in sicheren Zustand bringen und Meldung anzeigen.

In realen Anlagen kommen viele weitere Aspekte hinzu: Verriegelungen, Zeitbedingungen, Diagnose, Hand-/Automatik-Modi, Rezeptdaten, Kommunikation mit anderen Systemen und Sicherheitsfunktionen.

Programmiersprachen (IEC 61131-3)

SPS-Systeme werden häufig nach IEC 61131-3 programmiert. Gängige Darstellungen/Sprachen sind:

• KOP (Kontaktplan / Ladder): optisch an Relaislogik angelehnt.
• FUP (Funktionsplan): Logik als Funktionsblöcke und Verbindungen.
• ST (Structured Text): textbasierte Sprache, gut für komplexe Logik und Datenstrukturen.
• AWL (Anweisungsliste): historisch verbreitet, heute je nach Plattform.

Welche Sprache genutzt wird, hängt vom Hersteller, der Aufgabe und der Teamroutine ab. Wichtig ist weniger die „Lieblingssprache“, sondern dass Logik, Sicherheit und Diagnose sauber strukturiert sind.

Wo werden SPS-Systeme eingesetzt?

SPS finden sich überall dort, wo Prozesse automatisiert werden müssen — zuverlässig und dauerhaft:

• Produktion und Fertigung
• Verpackungs- und Abfüllanlagen
• Fördertechnik und Lagerlogistik
• Wasser/Abwasser, Kläranlagen
• Energieanlagen und Verteiltechnik
• Gebäudetechnik (je nach Komplexität)
• Chemie, Lebensmittel, Automobilindustrie

In vielen Bereichen ist die SPS ein Standardbaustein — nicht, weil sie „modern“ klingt, sondern weil sie für industrielle Anforderungen gebaut ist.

SPS vs. normaler Computer

Eine SPS ist kein Büro-PC. Sie ist für eine andere Welt gebaut:

• Robustheit: gegen Vibration, Temperatur und elektrische Störungen.
• Dauerbetrieb: 24/7 über lange Zeiträume.
• Wartbarkeit: klare Diagnose, austauschbare Module, stabile Plattformen.
• Langzeitverfügbarkeit: Industrieanlagen laufen oft viele Jahre bis Jahrzehnte.
• Determinismus: reproduzierbares Verhalten und planbare Reaktionszeiten.

Ein PC kann Steuerungsaufgaben übernehmen (Industrie-PC, Soft-PLC), aber die Anforderungen und das Betriebsmodell unterscheiden sich. In vielen Szenarien sind SPS/PLC-Lösungen weiterhin die robuste Standardwahl.

SPS vs. Mikrocontroller

Mikrocontroller (z. B. Arduino/ESP) sind großartig für Lern- und Prototyping-Projekte. In der Industrie spielen jedoch zusätzlich andere Faktoren eine Rolle: Normen, Dokumentation, Ersatzteilkonzepte, EMV-Störfestigkeit, Zertifizierungen, Wartung und Haftungsfragen.

Deshalb gilt oft:

• Für ein Hobby- oder Forschungsprojekt ist ein Mikrocontroller sinnvoll.
• Für eine Anlage, die jahrelang zuverlässig laufen muss, ist eine SPS häufig die passende Basis.

Die SPS im Gesamtsystem (IT/OT-Kontext)

In modernen Umgebungen ist die SPS Teil eines größeren Systems:

• Feldebene: Sensoren, Aktoren, Antriebe
• Steuerungsebene: SPS/PLC
• Bedienung/Überwachung: HMI/SCADA
• Leitebene: MES/ERP und Reporting

Besonders wichtig ist die Schnittstelle zwischen OT (Operational Technology) und IT. Viele moderne Projekte drehen sich darum, Daten aus Anlagen sicher und sinnvoll zu nutzen — ohne die Stabilität und Sicherheit der Produktion zu gefährden.

Safety vs. Security (kurz und wichtig)

Zwei Begriffe werden oft vermischt:

• Safety: Schutz von Menschen und Anlagen vor Unfällen (z. B. Not-Aus, Schutzeinrichtungen).
• Security: Schutz vor unbefugtem Zugriff und Manipulation (z. B. Netzwerkabsicherung).

Safety ist in vielen Umgebungen normativ geregelt und kann spezielle Hardware/Architektur erfordern (z. B. Sicherheits-SPS). Security wird in vernetzten Anlagen zunehmend genauso wichtig — muss aber so umgesetzt werden, dass Betrieb und Verfügbarkeit nicht leiden.

Typische Missverständnisse

• „Die SPS reagiert sofort“: In Wirklichkeit reagiert sie im Rahmen ihres Zyklus und der Signalverarbeitung.
• „Eine SPS ist nur Ein/Aus“: Moderne SPS steuern Regelungen, Daten, Kommunikation und komplexe Abläufe.
• „Programmieren ist der Hauptteil“: Genauso wichtig sind elektrische Planung, Sensorik, Tests, Diagnose und Dokumentation.
• „Alle SPS sind gleich“: Konzepte ähneln sich, aber Plattformen unterscheiden sich in Tools, Modulen und Ökosystem.

Fazit

Eine SPS ist eine robuste, industrielle Steuerungseinheit, die dafür entwickelt wurde, Prozesse zuverlässig zu automatisieren. Sie verbindet die reale Welt (Sensoren/Aktoren) mit klarer Logik und wiederholbaren Abläufen. Wer industrielle Automatisierung verstehen will, beginnt sinnvollerweise bei der SPS.

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Glossar (Begriffe, die hier häufig vorkommen)

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