SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) Hersteller – 11 im Vergleich

Die SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) steuert Maschinen und Produktionsanlagen, verarbeitet jedes Eingangssignal digital oder analog und erzeugt passende Ausgangssignale für Aktoren. Das Akronym SPS bezeichnet die Technologie und ist im Fachgebrauch die übliche Schreibweise. Ein Industriecomputer führt das Anwendungsprogramm aus, setzt die Steuerungslogik um und koordiniert die Datenverarbeitung in der Produktionslinie.

Ein Prozessor mit Mikrocontroller-Architektur übernimmt Rechenoperationen, adressiert Operanden im Speicher und schreibt Ergebnisse an die Ausgangskarte. Die Steuerungsaufgabe umfasst Ablaufsteuerung, Verriegelung und Prozesssteuerung mit deterministischen Reaktionszeiten. Die Stromversorgung speist die Elektronik mit typischen 24 V Gleichspannung, während eine robuste Verdrahtung über Reihenklemmen oder Busklemmen die Verkabelung strukturiert.

Programmzyklus und Arbeitsablauf

Der Programmzyklus startet mit dem Einlesen der Sensorik, führt das Steuerprogramm aus und schreibt die Ausgänge zurück an die Aktoren. Allgemeine Begriffe sind in IEC 61131-1 definiert; Anforderungen an Verarbeitungsgeschwindigkeit, Zeitverhalten und Prüfungen regelt IEC 61131-2 zusammen mit dem jeweiligen Hersteller-Datenblatt. Typische Zykluszeiten liegen je nach SPS-Klasse im Bereich von unter 1 ms bis etwa 10 ms; die Reaktionszeit auf der Signalebene bleibt damit deterministisch im Millisekundenbereich. Die Ablaufsteuerung prüft logische Verriegelungen, verhindert Logikfehler und priorisiert Alarme im Fehlerfall.

• Sensorik: Lichtschranke, Endschalter, Temperaturfühler, Füllstandssensor
• Aktoren: Förderband, Ventil, Werkzeug, Servoantrieb für Motion
• Signalketten: Steckmodul für E/A, Ausgangskarte für Lasten, Busklemme für dezentrale Peripherie
• Funktionen: Zeitrelais, Zähler bis 1 Milliarde Schritte, Versionierung jedes Programmteils

Anwendungsfall: Eine Getränkeindustrie-Linie regelt per Ablaufsteuerung acht Zonen, steuert drei Förderbänder und sichert den Füllstand mit 20 ms Reaktionszeit. Die Verriegelung stoppt das Werkzeug beim Öffnen einer Schutztür. Der Programmcode adressiert Operanden deterministisch, und ein Update ergänzt eine Modifikation ohne Beschränkung der Sicherheitslogik.

Architektur und Schnittstellen

Die Architektur integriert einen Hauptprozessor (CPU), Speicherbereiche für Programm und Daten sowie modulare Ein-/Ausgabebaugruppen. Eine typische Ausgangskarte liefert 2 A pro Kanal, eine Eingangsbaugruppe erfasst 16 oder 32 digitale Signale. Schutzart nach DIN EN 60529 (häufig IP20 im Schaltschrank, IP65/IP67 für dezentrale Peripherie) und der spezifizierte Temperaturbereich sichern den Betrieb in industrieller Umgebung. Galvanische Trennung verhindert Störeinkopplungen.

Auf der Bedien- und Visualisierungsebene koppelt ein HMI-Bedienpult – touchbasiert oder mit Tasten und Hardware-Wahlschalter – die SPS an den Maschinenbediener; größere Anlagen nutzen darüber hinaus SCADA-Systeme. Auf der Feldebene haben Industrial-Ethernet-Protokolle die klassischen Feldbusse weitgehend abgelöst:

• PROFINET (IEEE 802.3 / IEC 61158/61784)
• EtherCAT (IEC 61158, in Maschinenneubauten heute dominierend)
• EtherNet/IP (IEC 61158)
• Modbus TCP
• Sercos III (Motion-Anwendungen)
• POWERLINK
• CC-Link IE (vor allem Asien)

Klassische Feldbusse wie Profibus DP, CANopen und AS-Interface sind weiterhin im Bestand vertreten, werden in Neuanlagen aber zunehmend durch Industrial Ethernet ersetzt. Auf der Sensor-/Aktor-Ebene hat sich IO-Link (IEC 61131-9) als herstellerunabhängiger Punkt-zu-Punkt-Standard für intelligente Geräte etabliert. Eine saubere Feldverkabelung über Reihenklemmen und ein normgerechter Schutzleiteranschluss sichern den elektrischen Aufbau und die Personensicherheit.

Varianten und Einsatzfelder

Kompaktsteuerungen arbeiten als Einzelgerät mit fester I/O-Zahl, die Mini-SPS adressiert einfache Maschinensteuerungen, und eine integrierte Lösung bündelt Steuerungstechnik mit Motion und Regelungstechnik. Eine Automatisierungslösung ersetzt in der Modernisierung ein Relaissystem und senkt die Ausfallzeit durch integrierte Diagnose. Anlagenbau und Anlagenmodernisierung profitieren von Skalierung über Ausbaumöglichkeiten, während eine Beschränkung im Speicher über eine Erweiterungskarte aufgehoben wird.

Beispiel: In einer Verpackungslinie der Getränkeindustrie koppelt die SPS acht Anlagenteile (Füller, Verschließer, Etikettierer, Inspektion, Palettierer, Förderstrecken) per PROFINET und EtherCAT. Die Engineering-Software prüft das Anwenderprogramm gegen die SPS-Logik, dokumentiert Programmänderungen versioniert und stellt für die Inbetriebnahme detaillierte Diagnosedaten je Baugruppe bereit. Die Sicherheitssteuerung überwacht Schutztüren und Lichtgitter mit deterministischer Reaktionszeit nach ISO 13849-1; Statusanzeigen am HMI-Bedienpult werden typisch im Bereich von 200 bis 500 ms aktualisiert.

Auswahl, Konfiguration und Normen

Eine Engineering-Software (z. B. TIA Portal, CODESYS, Studio 5000, Automation Studio) konfiguriert und programmiert die SPS – lokal per USB oder remote über TCP/IP. Die Wahl beeinflusst Konnektivität, Datenhandling und Installationsaufwand. Eine Kostenanalyse bewertet die Mehrkosten zusätzlicher I/O-Karten und Erweiterungsbaugruppen; eine konsequente Versionierung im Engineering-System hält Programmänderungen, Parameteranpassungen und Inbetriebnahme-Stände rückverfolgbar. Schnittstellen zu MES-, ERP- und Cloud-Plattformen erfolgen typischerweise über OPC UA, MQTT oder REST-APIs.

Eine Architektur-Review prüft die Automatisierungsanforderung gegen Skalierung und Konfiguration, begrenzt Beschränkungen durch modulare Baugruppen und hält die Konnektivität stabil. Eine Modernisierung migriert das Steuerungsprogramm strukturiert, und eine Dokumentation sichert die Nachvollziehbarkeit des Arbeitsablaufs über alle Projektphasen.