Was SPS leisten: Anwendungsbereiche und Eigenschaften von SPS

Wenn Sie eine Produktionslinie modernisieren, Anlagen nachrüsten oder von relais-/MCU-basierten Lösungen auf standardisierte industrielle Steuerungen umsteigen, SPS Es landet fast immer auf der Auswahlliste. Ehrlich gesagt ist es nicht immer die günstigste Option, aber im Hinblick auf die Gesamtlebenszykluskosten lässt es sich oft leichter rechtfertigen.

Warum sieht man speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) in so vielen Branchen?

Da SPSen “Störfestigkeit, modulare E/A, wartungsfreundliche Programmierung und industrielle Kommunikation” in einem System vereinen, das Ingenieure bereits verstehen, sind die Kosten für branchenübergreifende Wiederverwendung und Replikation gering.

Zu den typischen Branchen zählen Stahl, Erdöl, Chemie, Energie, Baustoffe, Maschinenbau, Automobilindustrie, Leichtindustrie und Textilindustrie, Transportwesen, Umweltschutz und sogar Kultur/Tourismus und Bühnentechnik. Gemeinsam ist ihnen nicht der Prozess selbst, sondern die Umgebungsbedingungen: Staub, Vibrationen, Temperaturschwankungen, elektromagnetische Störungen, lange Betriebszeiten und der Bedarf an schnellen Reparaturen.

Für welche Steuerungsaufgaben werden SPSen hauptsächlich eingesetzt?

Die meisten Projekte lassen sich in fünf Aufgabenkategorien einteilen: diskrete Logik, Prozesssteuerung, Bewegungssteuerung, Datenverarbeitung und Kommunikation/Netzwerktechnik.

1) Warum werden SPSen häufig für die diskrete (Ein/Aus-)Logiksteuerung eingesetzt?

SPSen ersetzen die “verdrahtete Logik” durch die “gespeicherte Logik” und wandeln so eine große Anzahl von Relaiskontakten und komplexe Kabelbäume in Programme plus E/A-Module um.

Typische Szenarien:

• Einzelmaschinen: Spritzgießmaschinen, Druckmaschinen, Heftmaschinen, Schleifmaschinen, Verpackungsmaschinen
• Gruppensteuerung und Produktionslinien: Verpackungslinien, Galvanisierungslinien, Montagelinien, verriegelte Takt-/Zeitsteuerung mehrerer Maschinen

Sie werden den Wandel deutlich spüren: Das Ändern einer Sequenz bedeutet nicht mehr “Verkabelung abreißen und neu verkabeln”, sondern “Programm modifizieren + validieren”.”

2) Ist die SPS-basierte industrielle Prozesssteuerung zuverlässig?

Ja – vorausgesetzt, Sie bauen die gesamte analoge Kette ordnungsgemäß auf (Sensor → Sender → Abtastung → Filterung → Regelalgorithmus → Aktor).

Gängige Prozessvariablen sind kontinuierliche Größen wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Füllstand und Drehzahl. SPSen arbeiten typischerweise mit A/D- und D/A-Wandlern und implementieren die Regelung im geschlossenen Regelkreis mittels Regelalgorithmen; der in der Entwicklung am häufigsten verwendete Algorithmus ist nach wie vor der PID-Regler (die Implementierungsdetails variieren je nach Hersteller).

Gängige Anwendungsgebiete:

• Metallurgie, chemische Verarbeitung, Wärmebehandlung
• Kessel und Wärmetauschersysteme
• Umweltbehandlung und Wasser/Abwasser

Grundlagen zu PID (nützlich für die Einarbeitung und die Angleichung der Terminologie) finden Sie hier: https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller

3) Kann eine SPS Bewegungssteuerung übernehmen? Wann sollte man sie einsetzen?

Ja. Insbesondere für die ein- und mehrachsige Positionierung, Synchronisierung, Interpolation, elektronische Kurvensteuerung usw. ist die Kombination aus SPS und Bewegungsmodulen/Servosystemen eine der gängigsten Lösungen.

Gemeinsame Ziele:

• Schrittmotoren, Servomotoren
• Roboter-Peripheriekoordination, Werkzeugmaschinen, Hebe- und Fördersysteme, Aufzüge usw.

In der Praxis beurteile ich es üblicherweise so:

• “Takt-verknüpfte Koordination + mittlere Positioniergenauigkeit + starke Anbindung an die Linienlogik” → SPS-Bewegungssteuerung ist gut geeignet
• “Ultraschnelle Interpolation / extreme Präzision / komplexe Bewegungsabläufe” → Sie benötigen möglicherweise zusätzlich zur SPS eine spezialisiertere CNC-Steuerung oder einen Bewegungscontroller.

4) Wozu dient die Datenverarbeitungsfähigkeit einer SPS?

Datenerfassung, Berechnungen, Konvertierungen, Sortierung, Tabellensuche, Bitoperationen, Rezeptverwaltung und Vorverarbeitung für Berichte – SPS-Systeme können all dies, und oft ist das schon ausreichend.

Gängige Systeme:

• Große Steuerungssysteme in der Papier-, Lebensmittel-, Metallurgieindustrie usw.
• Situationen, die schnelle lokale Entscheidungen und einen Verriegelungsschutz erfordern (unabhängig vom Echtzeitverhalten eines übergeordneten Computers)

5) Gehören SPS-Kommunikation und -Vernetzung mittlerweile zur Standardausrüstung?

Grundsätzlich ja. SPSen bieten mindestens mehrere industrielle Schnittstellen und Netzwerkfunktionen zur Unterstützung der Kommunikation zwischen SPSen sowie zwischen SPSen und anderen Systemen. Bediengeräte/Frequenzumrichter/instruments/SCADA oder übergeordnete Systeme.

Was sind die “wirklich angenehmen” Eigenschaften von SPSen?

Zuverlässigkeit, Modularität, Wartungsfreundlichkeit und Nachrüstbarkeit – diese vier Faktoren entscheiden oft darüber, ob ein System langfristig vor Ort wirklich bestehen kann.

1) Warum sind SPS zuverlässig und unempfindlich gegenüber Störungen?

Industriegerechte Hardwareentwicklung + Fertigungs- und Testspezifikationen + EMV-Strategie + Selbstdiagnose.

Im Vergleich zu einem Relais-Schütz-System ähnlicher Größe reduzieren SPSen typischerweise die externe Verdrahtung und die Anzahl der physischen Kontakte erheblich. Weniger Kontakte bedeuten ein geringeres Risiko von Kontaktproblemen und mechanischem Verschleiß. Viele SPSen bieten zudem hardwareseitige Selbsttest- und Alarmmechanismen; auf Softwareebene lässt sich ebenfalls eine Geräte-Selbstprüfungslogik implementieren, wodurch das Gesamtsystem besser steuerbar wird.

2) Warum sagen wir, dass PLCs ein “vollständiges Ökosystem und eine starke Anwendbarkeit” besitzen?

Eine SPS ist nicht nur ein einzelnes Gerät – sie ist eine ganze Produktfamilie: CPU, DI/DO, AI/AO, Temperaturregelung, Wägetechnik, Bewegungssteuerung, Kommunikation, Remote-I/O usw. Je nach Projektgröße kann man “mit Bausteinen” bauen.

Dies ist in der realen Entwicklungspraxis von Bedeutung: Wenn sich die Anforderungen ändern, muss man nicht unbedingt von Grund auf neu entwickeln; oft lautet die Devise: “Module hinzufügen + Programm modifizieren + erneut testen”.”

3) Warum können Ingenieure schnell mit SPS-Systemen loslegen?

Sprachen wie das Kontaktplan-System (Ladder Diagram, LD) ähneln stark dem Denken in Relaisschaltungen, sodass die Lernbarriere niedrig ist – und gleichzeitig die Anforderungen an strukturierte Programmierung und technisches Management erfüllt werden.

Selbst Teammitglieder, die keine ausgeprägten Kenntnisse in der Low-Level-Programmierung besitzen, können Sequenzsteuerungen, Verriegelungen und Alarme mithilfe vertrauter Logik klar ausdrücken.

4) Warum vereinfachen SPS-Systeme Konstruktion und Wartung?

Sie machen aus “Kabeln” “Programme” und aus “harten Nachrüstungen” “sanfte Veränderungen”.”

Typische Vorteile:

• Kürzerer Entwicklungszyklus (weniger externe Verkabelung)
• Schnellere Fehlerbehebung (Online-Überwachung von E/A und Zuständen)
• Besser geeignet für die Produktion von Produkten mit hoher Variantenvielfalt und geringen Stückzahlen (flexiblere Rezeptur- und Prozessänderungen)

Wo treten die häufigsten Fehler bei SPS-Feldanwendungen auf?

Nicht spezifikationskonforme Umgebungsbedingungen, nicht geschichtete Verkabelung, unsaubere Erdung und ungedämpfte Störungen durch Frequenzumrichter/Hochleistungsanlagen – diese vier sind die häufigsten.

Im Folgenden schreibe ich dies als “Schecks, die Sie direkt vor Ort verwenden können”.”

Welche Umweltanforderungen gelten für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)?

Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibrationen, Korrosivität der Luft und Stromqualität – wenn einer dieser Faktoren die Grenzwerte überschreitet, kann dies zu intermittierenden Fehlern führen, die am schwierigsten zu beheben sind.

• Temperatur: typischerweise erforderlich (0–55 °C); nicht direkt über wärmeerzeugenden Bauteilen montieren; ausreichend Platz für Belüftung lassen.
• Luftfeuchtigkeit: relative Luftfeuchtigkeit typischerweise < (85\%) (nicht kondensierend)
• Vibrationen: Von starken Vibrationsquellen fernhalten; häufige/kontinuierliche Vibrationen im Bereich von 10–55 Hz erfordern eine Schwingungsisolierung.
• Luft: Vermeiden Sie korrosive/brennbare Gase wie Chlorwasserstoff und Schwefelwasserstoff; verwenden Sie bei starker Staubbelastung einen geschlossenen Schaltschrank.
• Stromversorgung: Bei starkem Netzrauschen einen abgeschirmten Trenntransformator verwenden; bei externer Stromversorgung (24 V DC) ein geregeltes Netzteil verwenden – einfache Gleichrichter- und Filternetzteile können Restwelligkeit aufweisen, die Fehlsignale auslösen kann.

Woher kommen SPS-Interferenzen? Was bedeuten “Gleichtakt” und “Gegentakt”?

Störungen treten hauptsächlich dort auf, wo sich Strom oder Spannung abrupt ändern, und gelangen durch Abstrahlung, Kopplung oder Leitung in das SPS-System. In der Technik verwenden wir häufig die Begriffe “Gleichtakt” und „Gegentakt“, um die Art der Signalstörung zu beschreiben.

• Gleichtaktstörungen: Störungen in gleicher Richtung, die durch eine Potenzialdifferenz zwischen Signal und Erde hervorgerufen werden, möglicherweise durch Netzkopplung, Erdpotenzialdifferenzen oder abgestrahlte Induktion.
• Differenzmodusstörung: Eine Störspannung, die zwischen den beiden Enden eines Signals angelegt wird, häufig aufgrund räumlicher Kopplung oder Gleichtaktumwandlung.

Sie müssen sich die Definitionen nicht merken – merken Sie sich aber eine Regel: Viele “mysteriöse Stromsprünge” vor Ort lassen sich letztendlich auf Erdungs- und Verdrahtungspraktiken zurückführen.

Was sind die häufigsten Störquellen in einem SPS-System?

Netzleitung, Schaltschrankkopplung, Signalleitungsinduktion, Erdschleifen, interne Strahlung und Frequenzumrichter-Oberschwingungen/Strahlung – das sind die üblichen Verdächtigen.

• Störungen durch hohe Leistung: Überspannungen durch Messerschalter, Starten/Stoppen großer Geräte, Oberschwingungen, Kurzschlussimpulse, die über das Stromnetz in den Stromeingang geleitet werden.
• Störungen im Schaltschrank: Hochspannungsbauteile, induktive Lasten und chaotische Verdrahtung verursachen Kopplungen
• Signalleitungsübersprechen: Übersprechen in der Versorgungsspannung und abgestrahlte Induktion (oft übersehen, aber fatal sein können)
• Mangelhafte Erdung: Erdpotenzialdifferenzen und Erdschleifenströme verursachen Logikfehler und Drift bei analogen Messungen.
• Störungen durch Frequenzumrichter: Oberwellenleitung auf der Eingangsseite + elektromagnetische Strahlung auf der Ausgangsseite

Wie lässt sich Interferenzunterdrückung korrekt umsetzen? Welche technischen Vorgehensweisen sind praktikabel?

Stromisolierung und -filterung, mehrschichtige Verkabelung und Trennung, korrekte E/A-Verkabelung, Einpunkt-Erdungsstrategie und Maßnahmen zur Risikominderung an den Ein- und Ausgängen des Frequenzumrichters.

1) Was versteht man unter “zuverlässigem” Umgang mit der Stromversorgung?

• Bei starkem Netzrauschen: Verwenden Sie einen (1:1) geschirmten Trenntransformator, um die Kopplung zwischen Gerät und Erde zu reduzieren.
• Am Stromeingang: Fügen Sie einen LC-Filter hinzu, um leitungsgebundenes Rauschen zu unterdrücken.
• Bei kritischen Lasten: Unabhängige Stromversorgungen und USV-Anlagen in Betracht ziehen (abhängig von den Kosten der Prozessausfallzeit).

2) Was sind die “unabdingbaren Regeln” für Installation und Verkabelung?

• Verlegen Sie Stromkabel, Steuerkabel, SPS-Stromkabel und E/A-Kabel separat; verwenden Sie nach Möglichkeit keine gemeinsamen Kabelkanäle.
• Halten Sie die SPS von Schweißgeräten, Hochleistungsgleichrichtern und großen elektrischen Geräten fern; der empfohlene Abstand zu Stromkabeln beträgt > (200 mm).
• Bei induktiven Lasten (Schütz-/Relaisspulen) werden parallele (RC-)Snubber hinzugefügt.
• Verwenden Sie für analoge Signale geschirmte Kabel; wählen Sie je nach Standortanalyse eine einseitige oder beidseitige Schirmung als Erdung; halten Sie den Erdungswiderstand so gering wie möglich (im Text wird empfohlen, dass er weniger als (1/10) des Schirmwiderstands beträgt).
• Trennen Sie Wechsel- und Gleichstromausgänge möglichst auf unterschiedliche Kabel; vermeiden Sie den Parallelbetrieb mit Hochspannungsleitungen.

3) Worauf sollten Sie bei der Verdrahtung der E/A-Anschlüsse achten?

Eingangsseite:

• Die Kabellängen sollten kurz sein (bei geringen Störungen und kontrollierbarem Spannungsabfall kann diese Regel gelockert werden).
• Routen Sie die I/O-Leitungen separat
• Bevorzugen Sie normalerweise offene Kontakte; die Logik ist intuitiver und die Fehlersuche schneller.

Ausgangsseite:

• Ausgänge derselben Gruppe benötigen typischerweise den gleichen Lasttyp und die gleiche Spannungsklasse der Stromversorgung.
• Kurzschlüsse vermeiden (diese können die Ausgabekarte direkt beschädigen).
• Bei Relaisausgängen ist der Einfluss induktiver Lasten auf die Kontaktlebensdauer zu beachten; gegebenenfalls sind Zwischenrelais einzusetzen.
• Bei Gleichstromlasten Freilaufdioden hinzufügen; bei Wechselstromlasten RC-Snubber; bei Transistor-/Thyristorausgängen Bypass/Schutz gemäß Herstellerempfehlungen hinzufügen.

4) Wie lässt sich das System realisieren, ohne dabei in Fettnäpfchen zu treten?

Trennen Sie klar “Schutzerde, Systemerde und Signal-/Abschirmungserde”, verwenden Sie einen einzigen Bezugspunkt und vermeiden Sie Erdschleifen.

• Schutzerdung: Erdung des Stromanschlusses und des Schaltschranks zum Schutz vor Stromschlägen
• Systemerdung: Das Steuerungssystem muss potenziell gleich groß sein; im Text wird ein Erdungswiderstand von ≤ (4\Omega) empfohlen.
• Signal-/Schirmungserdung: Vermeiden Sie eine willkürliche Erdung beider Schirmungsenden und die Entstehung von Erdungspotenzialdifferenzen; stellen Sie die Schirmungsdurchgängigkeit an Verbindungsstellen sicher und isolieren Sie ordnungsgemäß; planen Sie Mehrfachschirmungen mit einem einheitlichen Einpunkt-Erdungssystem

5) Wie unterdrückt man VFD-Interferenzen?

• Trenntransformator: blockiert hauptsächlich leitungsgebundene Störungen auf der Eingangsseite
• Netzfilter: unterdrückt leitungsgebundenes Rauschen und reduziert Spannungsspitzen
• Ausgangsreaktor: Reduziert Strahlung und Interferenzausbreitung zwischen Frequenzumrichter und Motor

SPS vs. Relaissteuerung vs. Industrie-PC: Wie soll ich mich entscheiden?

Wenn Sie Stabilität, einfache Wartung und Praxistauglichkeit benötigen, wählen Sie eine SPS. Wenn Sie niedrige Kosten und einfache Logik benötigen, sind Relais weiterhin eine Option. Benötigen Sie Rechenleistung und ein offenes Software-Ökosystem, sollten Sie einen Industrie-PC (IPC) in Betracht ziehen, allerdings muss Ihr System für Zuverlässigkeit und Wartung im Feld mithalten können.

Wichtigste Punkte

• SPS-Systeme eignen sich für industrielle Automatisierungsszenarien, in denen Logik, Prozesssteuerung, Bewegungssteuerung, Datenverarbeitung und Kommunikation integriert sind und eine hohe Wiederverwendbarkeit im Engineering-Bereich aufweisen.
• Wenn die Anlage instabil ist, liegt es meistens nicht daran, dass die SPS defekt ist, sondern daran, dass Stromversorgung, Verkabelung, Erdung und die Störungsunterdrückung durch den Frequenzumrichter nicht ausreichend durchgeführt wurden.
• Umgebungsreferenzwerte: Temperatur (0\sim55^\circ\text{C}), Luftfeuchtigkeit < (85\%) (nicht kondensierend), Schwingungsfrequenz (10\sim55\text{ Hz}) erfordert Isolation.
• Störungsunterdrückung: Fokus auf fünf Punkte – Isolation/Filterung, mehrschichtige Verkabelung, I/O-Schutz, Einpunkt-Erdung und Absicherung gegen Störungen auf der Eingangs-/Ausgangsseite des Frequenzumrichters.
• Auswahllogik: SPS für Stabilität und Wartungseffizienz wählen; IPC für Rechenleistung und offenes Ökosystem wählen; wählen Relais Lösungen für einfache, niederfrequente Änderungen.