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Keine Komponente wird mit der Automatisierungstechnik derartig in Verbindung gebracht, wie die SPS. Seit fast fünf Jahrzehnten steuert und regelt sie heute noch in den unterschiedlichsten Industriezweigen Automationsanwendungen. Und sie wuchs im Lauf der Zeit mit ihren Aufgaben. Ein kurzer Einblick in die Geschichte der SPS.
Der Siegeszug der SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) begann Anfang der Siebzigerjahre. Automatisierungsaufgaben wurden bis zu diesem Zeitpunkt mit diskret verdrahteter Relaistechnik realisiert. Es versteht sich von selbst, dass diese Systeme durch das häufige Schalten der Relais wartungsintensiv waren. Änderungen am Ablauf waren nur durch Änderung der Verdrahtungen möglich. Um eine gewisse Flexibilität zu erreichen, wurden Schaltungen aufgebaut, bei denen durch Veränderungen von Steckverbindungen Abläufe beeinflusst werden konnten.
In den USA wurden 1970 vier Unternehmen von der Automobilindustrie beauftragt, die Relaistechnik durch Mikrocontroller zu entwickeln. Ein wichtiges Kriterium war, dass die Fachleute, welche bisher die Elektropläne erstellt hatten, einfach auf eine Programmiersprache umzuschulen waren. So entstand als erste Programmiersprache der Kontaktplan (KOP). Er stellte die überwiegend bitorientierten Aufgaben optimal dar. Die Entwickler konnten wie gewohnt den Maschinenablauf in bekannter Darstellung abstrahieren, die Umschulungskosten waren dementsprechend gering. Um die Flexibilität bei der Programmierung zu erhöhen, kamen später folgende Sprachen hinzu:
Zusammen mit KOP bilden diese Programmiersprachen die Norm IEC-61131-3. Sie wurde 1994 verabschiedet. Im Jahr 2004 wurde die Norm angepasst. Diese Version ist bis heute gültig.
Selbst bei modernsten Maschinen und Anlagen bilden nach wie vor speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) das Herz der Automatisierung.
Integration weiterer Funktionalitäten
Waren es am Anfang reine Verknüpfungen von digitalen Ein- und Ausgangssignalen, kamen bald analoge Sensoren und Aktoren in der Automation von Anlagen zum Einsatz, wie beispielsweise Temperaturfühler oder analoge Stellglieder. Zudem liessen sich die Steuerungen dank Modularität bei der Controller-Leistung, beim Programm und Datenspeicher sowie beim Ausbau von Ein-/Ausgangsmodulen besser skalieren. Anfang der Achtzigerjahre gewannen positionierbare Antriebe in der Fertigungsindustrie immer mehr an Bedeutung. Für die Ansteuerung der Antriebe wurden normierte Schnittstellen zu externen Schrittmotor- oder Servoreglern geschaffen.
Dezentrale Intelligenz
Um Kosten für die Verdrahtung von grösseren Anlagen zu reduzieren, wurden zu Beginn der Neunzigerjahre die Signale von den Sensoren und zu den Aktoren in dezentralen Einheiten zusammengefasst. Die längere Distanz vom Modul zur zentralen Steuerung wurde anstatt mit vielen Einzeladern durch ein Kabel mit wenigen Adern überwunden. Es entstanden die FeldBusse wie ProfiBus, InterBus-S, DeviceNet, CAN usw. Sie alle hatten ihre Vor- und Nachteile, waren jedoch weder beim Hardware-Aufbau noch beim Übertragungsprotokoll zueinander kompatibel. Mit der Einführung von Ethernet als Verbindung zu den dezentralen Einheiten wurde ab Anfang der 2000er-Jahre dem Feldbus-Wildwuchs in den meisten Anwendungen ein Ende gesetzt. Mit OPC UA 2 (OPC-Unified Architecture) haben sich die Hersteller 2009 auf einen Kommunikationsstandard geeinigt.
SPS und IT verschmelzen
Ebenfalls Anfang der Neunzigerjahre erreichten die Rechner eine Performance, die es zuliess, dass nebst dem Windows oder Unix-Betriebssystem eine softwarebasierende SPS (Soft-SPS) eine genügende Echtzeitfähigkeit für gängige Automatisierungsaufgaben aufwies. Eine Soft-SPS bestand in der Regel aus einem Industrie-PC mit IO-Knoten, die über einen Feldbus verbunden waren. Die Vorteile dieser Lösung bestanden darin, dass die Hardware-Beschaffung gegenüber klassischen Steuerungen mit gleicher Performance wesentlich günstiger und die Visualisierung bereits integriert war. Nachteile: Eine Gewähr auf langfristige Verfügbarkeit und Kompatibilität von Ersatzteilen gab es ebenso wenig wie eine garantierte Softwarekompatibilität bei Updates.
Bedienen und beobachten
Die Entwicklung der Automatisierung ist sehr gut an der Maschinenbedienung ersichtlich. Es ist heute im Zeitalter von Touchscreens kaum vorstellbar, dass zu Anfangszeiten ganze Anlagen über diskret verdrahtete Tastenfelder und Anzeigelampen bedient wurden. Um die Flexibilität und den Komfort ihrer Maschinen zu erhöhen, forderten die Unternehmen die Möglichkeit, vor Ort Texte und Maschinenparameter ablesen sowie verändern zu können. Handelte es sich anfangs hauptsächlich um alphanumerische Anzeigen, wurden sie ab Mitte der Neunzigerjahre mehr und mehr durch grafische Displays und Monitore abgelöst. Bei komplexeren Anwendungen kamen später mit industrietauglichen Rechnern sogenannte SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) zum Einsatz. Diese der SPS übergeordneten Systeme sind in der Lage, eine grössere Anzahl Daten zu erfassen, auszuwerten und bei Bedarf zu archivieren. Heutige Multitouch- Systeme erlauben dem User eine benutzergeführte und komfortable Bedienung.
Noch nicht am Ende
Die heutigen Anforderungen an eine SPS gehen weit über das reine Steuern und Regeln von Prozessen mechanischer Bewegungen hinaus. Produktionsprozesse sind datenbankgesteuert, Zyklen müssen über Bussysteme auf die Millisekunde genau synchronisiert werden, komplexe Berechnungen sind notwendig, Steuerungen sind vernetzt und tauschen Daten untereinander und mit ERP-Systemen aus. Trotzdem bildet die SPS immer noch das Herz der meisten Anlagen. Komfortabler, flexibler, aber im Grundprinzip immer noch für den präzisen und sicheren Ablauf des Automatisierungsprozesses verantwortlich. Daran wird sich in absehbarer Zeit nicht so schnell etwas ändern. Schon oft totgesagt, bildet die SPS bis heute die Konstante in der Automatisierungstechnik, und das seit nahezu 50 Jahren.
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Text: Andreas Leu
Foto: Empa, Nest