SPS-Handbuch: Konzepte, Anwendungen und Grundlagen der Verdrahtung

Einleitung: Das „Gehirn“ in der Automatisierungswelle

In der heutigen, sich rasch weiterentwickelnden Landschaft der industriellen Automatisierung sind Produktionseffizienz, Flexibilität und Zuverlässigkeit entscheidende Kennzahlen für die Fertigungskapazität.

Herkömmliche, komplexe Relais-Steuerschaltungen können den Anforderungen der modernen Industrie nach komplexer Logik, schnellen Reaktionszeiten und einfacher Wartung kaum gerecht werden.

Vor diesem Hintergrund ist der Speicherprogrammierbare Controller (SPS) entstand und etablierte sich schnell als zentrales „Gehirn“ der Automatisierungssteuerungssysteme.

Dieses Dokument führt Sie systematisch durch die Welt der SPS und erklärt ihre grundlegenden Prinzipien, vielfältigen Anwendungen und wesentlichen Verdrahtungstechniken.

Teil 1: Einführung in die SPS – Kernkonzepte und Vorteile

1. Was ist eine SPS? 

Eine SPS oder speicherprogrammierbare Steuerung ist ein digitales elektronisches System, das speziell für den Betrieb in industriellen Umgebungen entwickelt wurde.

Es nutzt programmierbaren Speicher zum Speichern benutzerorientierter Anweisungen zum Implementieren von Funktionen wie logischen Operationen, Sequenzsteuerung, Zeitmessung, Zählen und Rechenoperationen.

Über digitale oder analoge Eingabe-/Ausgabemodule (E/A) steuert es verschiedene Arten von Maschinen oder Produktionsprozessen.

2. Vergleich mit herkömmlicher Steuerung: Warum eine SPS wählen? 

Vor der weitverbreiteten Einführung von SPS basierte die industrielle Steuerung hauptsächlich auf festverdrahteten Logikschaltungen, die aus Relais, Schützen, Zeitgebern usw. bestanden. Konzeptionell:

• Herkömmliche Schaltkreise (Relaislogik):
  • Feste Funktionalität: Nach der Verdrahtung ist eine Änderung der Steuerlogik schwierig und arbeitsintensiv.
  • Verdrahtungskomplexität: Die Anzahl der Komponenten und der Verdrahtungsaufwand steigen exponentiell mit der Komplexität der Steuerlogik.
  • Schwierige Wartung: Zur Fehlerbehebung ist eine Punkt-für-Punkt-Überprüfung der physischen Verbindungen erforderlich, was zeitaufwändig ist.
  • Eingeschränkte Kontakte: Physische Kontakte sind in ihrer Anzahl und Lebensdauer begrenzt.
  • Schlechte Skalierbarkeit: Das Hinzufügen neuer Funktionen erfordert häufig eine umfassende Neugestaltung und Neuverdrahtung.
• SPS-Steuerungssysteme:
  • Hohe Flexibilität: Die Steuerlogik ist in einem Softwareprogramm enthalten. Um die Funktionalität zu ändern, muss in der Regel nur der Programmcode geändert werden, ohne die Hardwareverdrahtung zu verändern. Beispielsweise erfordert die Änderung der Eingangstaste X00 von der Steuerung von Ausgang Y001 zur Steuerung von Ausgang Y002 nur eine geringfügige Änderung der Programmiersoftware.
  • Vereinfachtes Design und Verdrahtung: Eingänge (z. B. Tasten, Sensoren) und Ausgänge (z. B. Anzeigelampen, Motorschützspulen) werden direkt mit den E/A-Modulen der SPS verbunden, wodurch der Aufwand für die externe Verdrahtung drastisch reduziert wird.
  • Leistungsstarke Funktionalität: SPS bieten einen umfangreichen Befehlssatz, mit dem sich komplexe Logik, Zeitsteuerung, Zählvorgänge, Datenmanipulation usw. problemlos implementieren lassen. Interne Softwarekontakte (Normalerweise offen/Normalerweise geschlossen) können praktisch ohne Einschränkung verwendet werden.
  • Einfache Wartung und Diagnose: Die Programmiersoftware bietet Online-Überwachungsfunktionen, die eine Echtzeitbeobachtung des Programmausführungsstatus und der E/A-Signale ermöglichen und so eine schnelle Fehlerlokalisierung erleichtern.
  • Hohe Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit: SPSen sind für raue Industrieumgebungen konzipiert und zeichnen sich durch hohe Störfestigkeit aus. Ihr modularer Aufbau ermöglicht eine einfache Erweiterung der E/A-Punkte oder das Hinzufügen spezieller Funktionsmodule bei steigenden Anforderungen.

Tabelle 1: Vergleich von SPS-Systemen und herkömmlichen Relaissteuerungssystemen

Teil 2: Kernfunktionen und Anwendungsbereiche von SPS

Die Fähigkeiten von SPS gehen weit über die einfache Schaltsteuerung hinaus. Moderne SPS sind vielseitige Kraftpakete, deren Anwendungen im Allgemeinen in die folgenden fünf Bereiche unterteilt werden:

1. Digitale Steuerung (diskrete Steuerung): Dies ist die grundlegendste und am weitesten verbreitete SPS-Anwendung. Sie umfasst die Verarbeitung von EIN/AUS-Signalen (digitale Eingänge) von Geräten wie Tastern, Schaltern und Sensoren sowie die Ansteuerung von Aktoren wie Kontrollleuchten, Relais und Magnetventilen (digitale Ausgänge) basierend auf der Programmlogik. Dies bildet die Grundlage für Start-/Stopp-Sequenzen und sequentielle Vorgänge von Geräten.
2. Bewegungssteuerung: Viele SPS, insbesondere Modelle der mittleren und oberen Preisklasse, verfügen über Hochgeschwindigkeits-Impulsausgänge. Diese Ausgänge erzeugen hochfrequente Impulsfolgen zur präzisen Steuerung von Schrittmotoren oder Servoantrieben und ermöglichen so komplexe Aufgaben wie Präzisionspositionierung, Geschwindigkeitsregelung und Bahnverfolgung. Dies ist entscheidend für Verpackungsmaschinen, CNC-Maschinen, Roboter und ähnliche Anwendungen.
3. Analoge Steuerung: Industrielle Prozesse beinhalten oft ständig schwankende physikalische Größen wie Temperatur, Druck, Durchfluss und Füllstand. SPSen nutzen analoge Eingangsmodule, um Signale (typischerweise 4–20 mA oder 0–10 V) von Transmittern und Sensoren zu erfassen. Nach der internen Verarbeitung (A/D-Wandlung, Filterung, Skalierung) steuern analoge Ausgangsmodule Geräte wie Regelventile oder Frequenzumrichter (Frequenzumrichter), um eine geschlossene Regelung zu erreichen. Typische Beispiele sind die Temperaturregelung und die Wasserversorgung mit konstantem Druck. Viele SPS verfügen über integrierte PID-Funktionsblöcke (Proportional-Integral-Differential) für eine präzise Prozesssteuerung. Erfahren Sie mehr über PID-Regler
4. Datenhandhabung (Datenverarbeitung): SPSen verfügen über robuste Funktionen für mathematische Operationen (Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, trigonometrische Funktionen usw.), logische Operationen, Datenvergleiche, Datenübertragungen und Sortierungen. Sie können Produktionsdaten zur Analyse, Verarbeitung und Speicherung erfassen. Beispiele hierfür sind das Zählen von Produkten, die Berechnung von Zykluszeiten, die Verwaltung von Rezepturen und die Implementierung komplexer Workflow-Logiken (z. B. Warteschlangenmanagementsysteme).
5. Kommunikation & Vernetzung: Moderne Automatisierung legt Wert auf Vernetzung. SPSen sind mit verschiedenen Kommunikationsschnittstellen (z. B. RS232, RS485, Ethernet) ausgestattet und unterstützen zahlreiche Industrieprotokolle (z. B. Modbus, Profibus, ProfiNet, EtherNet/IP). Dies ermöglicht SPSen:
   • Kommunizieren Sie mit Mensch-Maschine-Schnittstellen (Bediengeräte)/Touchscreens: Erstellen Sie grafische Benutzeroberflächen zur Überwachung des Gerätestatus, zum Einstellen von Parametern und zur manuellen Bedienung und ersetzen Sie so zahlreiche physische Tasten und Lampen.
   • Kommunizieren Sie mit Überwachungscomputern/SCADA-Systemen: Erleichtert die Datenerfassung, Fernüberwachung und Anlagenverwaltung.
   • Vernetzung mit anderen SPS oder intelligenten Geräten (wie VFDs, Instrumenten): Erstellen Sie verteilte Steuerungssysteme (DCS) oder ermöglichen Sie einen koordinierten Betrieb zwischen Maschinen.
   • Entdecken Sie gängige Industrieprotokolle: Modbus Organization, ODVA (verwaltet EtherNet/IP usw.)

Teil 3: Grundlagen der SPS-Verdrahtung

Für den stabilen Betrieb jedes SPS-Systems ist die korrekte Verdrahtung von größter Bedeutung. Bei der SPS-Verdrahtung geht es in erster Linie um die Eingangs- und Ausgangsklemmen.

1. Eingangsverdrahtung: SPS-Eingänge empfangen Signale von externen Feldgeräten.

• Anschließbare Geräte: Drucktasten, Wahlschalter, Endschalter, Näherungssensoren (induktiv), fotoelektrische Sensoren, Magnetschalter (Reedschalter, oft für die Zylinderposition), Glasfaserverstärker, U-förmige (Schlitz-)Sensoren usw. Im Wesentlichen liefern diese Geräte ein Schaltsignal an die SPS.
• Grundlegende Schaltungselemente: Ein vollständiger Eingangskreis erfordert eine Stromquelle, ein Schaltelement (das Eingabegerät) und die Last (in diesem Fall den Optokoppler des SPS-Eingangspunkts).
• Eingangstypen und Anschluss (Beispiel: Mitsubishi FX3U, DC24V-Versorgung):
  • Gemeinsamer Anschluss (S/S oder COM): SPS-Eingänge sind typischerweise intern über Optokoppler isoliert. Eine Seite aller Eingangsoptokoppler ist intern mit einer gemeinsamen Klemme verbunden. Bei externer Verdrahtung muss diese gemeinsame Klemme mit einem Pol der externen Gleichstromversorgung verbunden werden.
  • Senkeneingang (NPN-Logik): Der gemeinsame Anschluss (S/S) ist mit dem Pluspol (+24 V) der externen Gleichstromversorgung verbunden. Das Eingabegerät (z. B. ein Taster) wird zwischen dem X-Eingang der SPS und dem Minuspol (0 V) der Stromversorgung angeschlossen. Beim Drücken des Tasters fließt Strom von +24 V -> S/S -> interner Optokoppler -> X-Anschluss -> Taster -> 0 V. Dadurch schließt sich der Stromkreis, und die SPS registriert einen EIN-Eingang. Diese Konfiguration wird für NPN-Sensoren verwendet.
  • Quelleneingang (PNP-Logik): Der gemeinsame Anschluss (S/S) ist mit dem Minuspol (0 V) der externen Gleichstromversorgung verbunden. Das Eingangsgerät wird zwischen dem X-Eingang der SPS und dem Pluspol (+24 V) der Stromversorgung angeschlossen. Beim Drücken der Taste fließt Strom von +24 V -> Taste -> X-Anschluss -> interner Optokoppler -> S/S -> 0 V. Diese Konfiguration wird für PNP-Sensoren verwendet.
  • 2-Draht-Geräteanschluss: Geräte wie Standard-Drucktaster, Endschalter und 2-adrige Magnetschalter werden gemäß dem gewählten Sink- oder Source-Verdrahtungsschema angeschlossen. Hinweis: 2-adrige Magnetschalter haben oft eine Polarität (braune und blaue Adern). Der korrekte Anschluss erfolgt entsprechend dem SPS-Eingangstyp (Sink/Source) und dem Stromfluss. Allgemeine Regel: Für den Sink-Eingang (S/S bis +24 V) schließen Sie den braunen Draht an den X-Eingang und den blauen Draht an 0 V an. Für den Source-Eingang (S/S bis 0 V) schließen Sie den braunen Draht an +24 V und den blauen Draht an den X-Eingang an. (Überprüfen Sie stets die Gerätespezifikationen.)
  • 3-Draht-Sensoranschluss (z. B. photoelektrisch/Näherung):
    • NPN-Sensor: Braunes Kabel an +24V, blaues Kabel an 0V, schwarzes Signalkabel an den X-Eingang der SPS. Der SPS-Eingang muss für Sink Input (S/S an +24 V angeschlossen) konfiguriert/verdrahtet werden.
    • PNP-Sensor: Braunes Kabel an +24V, blaues Kabel an 0V, schwarzes Signalkabel an den X-Eingang der SPS. Der SPS-Eingang muss für den Quelleneingang (S/S an 0 V angeschlossen) konfiguriert/verdrahtet werden.

2. Ausgangsverdrahtung: SPS-Ausgänge steuern externe Lasten.

• Anschließbare Lasten: Kontrollleuchten, Magnetventile (für pneumatische/hydraulische Steuerung), Zwischenrelais, Schütze (für Hochleistungsmotoren), Halbleiter Relais (SSRs, für Heizungen usw.), Steuersignale für VFDs, Schritt-/Servoantriebe, usw.
• Ausgabetypen: SPS-Ausgangsmodule gibt es hauptsächlich in drei Typen, die je nach Lasteigenschaften und Anwendungsanforderungen ausgewählt werden.
  • Relaisausgang (z. B. MR-Suffix bei Mitsubishi):
    • Prinzip: Verwendet interne elektromechanische Miniaturrelais. Wenn das Programm eine Ausgangsspule (Y) aktiviert, schließt der entsprechende interne Relaiskontakt und schließt so den externen Lastkreis.
    • Vorteile: Kann sowohl AC- als auch DC-Lasten antreiben, großer Spannungsbereich, relativ hohe Stromkapazität, gute elektrische Isolierung, geringere Kosten.
    • Nachteile: Begrenzte mechanische Lebensdauer (typischerweise Hunderttausende bis Millionen Zyklen), langsame Schaltgeschwindigkeit (~10 ms), ungeeignet für Hochfrequenzschaltungen (wie PWM oder Hochgeschwindigkeitsimpulsausgänge). Empfohlene Schaltfrequenz unter ~0,1 Hz (6 Schaltvorgänge/Minute) zur Maximierung der Lebensdauer.
    • Verdrahtung: Jeder Ausgangspunkt (oder jede Gruppe) verfügt über einen gemeinsamen Anschluss (COM). Schließen Sie eine Seite der Last an den Y-Ausgangsanschluss und die andere Seite an einen Pol der Laststromversorgung an. Den anderen Pol der Laststromversorgung schließen Sie an den entsprechenden COM-Anschluss an. Der COM-Anschluss ist flexibel hinsichtlich der Polarität (DC) oder Phase/Neutralleiter (AC).
  • Transistorausgang (z. B. MT-Suffix bei Mitsubishi):
    • Prinzip: Verwendet interne Leistungstransistoren (normalerweise MOSFETs).
    • Vorteile: Extrem schnelle Schaltgeschwindigkeit (Mikrosekunden), kein mechanischer Verschleiß, sehr lange Lebensdauer, ideal für Hochfrequenzanwendungen wie die Ansteuerung von Schritt-/Servoantrieben (Impulsausgänge) und PWM-Steuerung (Dimmen/Geschwindigkeit).
    • Nachteile: Kann nur Gleichstromlasten ansteuern. Geringere Toleranz gegenüber Überlastungen und Einschaltströmen; externer Schutz (z. B. Freilaufdiode für induktive Lasten) ist oft erforderlich. Im ausgeschalteten Zustand tritt ein geringer Leckstrom auf.
    • Verdrahtung: Verfügbar als Sink- (NPN) oder Source- (PNP) Typ.
      • Senkenausgang: Der gemeinsame Anschluss (COM) wird mit dem Minuspol (0 V) der externen Lastversorgung verbunden. Verbinden Sie eine Seite der Last mit dem Pluspol (+V) der Versorgung und die andere Seite mit dem Y-Ausgang der SPS. Wenn Y eingeschaltet wird, wird die Last mit 0 V verbunden.
      • Quellausgabe: Der gemeinsame Anschluss (COM) wird mit dem Pluspol (+V) der externen Lastversorgung verbunden. Verbinden Sie eine Seite der Last mit dem Minuspol (0 V) der Versorgung und die andere Seite mit dem Y-Ausgang der SPS. Wenn Y eingeschaltet wird, wird die Last mit +V versorgt.
  • Triac-Ausgang (Thyristor-Ausgang, zB MS-Suffix bei Mitsubishi):
    • Prinzip: Verwendet interne Triacs (eine Art bidirektionaler Thyristor).
    • Vorteile: Schnelle Schaltgeschwindigkeit, lange Lebensdauer, geeignet zum Antrieb von Wechselstromlasten, insbesondere kleinen Wechselstromschützen, Magnetventilen usw.
    • Nachteile: Kann nur Wechselstromlasten antreiben. Verfügt typischerweise über Nulldurchgangsschaltung (vorteilhaft für die Rauschreduzierung, verhindert aber die Phasenanschnittsteuerung). Im ausgeschalteten Zustand tritt ein geringer Leckstrom auf. Anfällig für Schäden durch Spannungsspitzen.
    • Verdrahtung: Ähnliches Konzept wie die Verdrahtung des Relaisausgangs (Last zwischen Y und Strom angeschlossen, COM mit der anderen Seite des Stroms verbunden), aber ausschließlich für Wechselstromkreise.

Tabelle 2: Vergleich der SPS-Ausgangsmodultypen

Auswahlhilfe:

• Wenn die Last aus Wechsel- oder Gleichstrom besteht und die Schaltfrequenz niedrig ist (z. B. weniger als 6 Mal pro Minute), ist der Relaisausgang aufgrund seiner Einfachheit und Kosteneffizienz häufig die bevorzugte Wahl.
• Für schnelles Schalten, die Erzeugung von Impulsausgängen (zur Bewegungssteuerung) oder häufiges Schalten von Gleichstromlasten ist ein Transistorausgang erforderlich. Wählen Sie je nach Systemdesign und Sensortyp die Option Senke (NPN) oder Quelle (PNP).
• Wenn es sich bei der Last um Wechselstrom handelt und diese schneller als Relais schalten oder sehr häufig betätigt werden muss, kann ein Triac-Ausgang in Betracht gezogen werden.

Abschluss:

Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist mit ihrer Flexibilität, leistungsstarken Funktionalität, einfachen Programmierung und Wartung sowie außergewöhnlichen Zuverlässigkeit eine unverzichtbare Kernkomponente im Bereich der modernen industriellen Automatisierungssteuerung.

Seine Anwendungen reichen von der grundlegenden digitalen Logiksteuerung bis hin zu anspruchsvoller Bewegungssteuerung, präziser analoger Regelung, fortschrittlicher Datenverarbeitung und nahtloser Netzwerkkommunikation und durchdringen automatisierte Produktionslinien und -anlagen in unterschiedlichsten Branchen.

Das Verständnis der grundlegenden Konzepte von SPS, das Kennenlernen ihrer vielfältigen Fähigkeiten und die Beherrschung der richtigen Eingangs-/Ausgangsverdrahtungstechniken (insbesondere die Unterscheidung zwischen Sink/Source, NPN/PNP und die Auswahl des geeigneten Ausgangstyps) sind für jeden Automatisierungsingenieur und -techniker unverzichtbare Fähigkeiten.

Während sich Industrie 4.0 und intelligente Fertigung weiterentwickeln, werden SPS ihre entscheidende Rolle behalten und Unternehmen eine effizientere, intelligentere und flexiblere Produktion ermöglichen.