SPS: Definition, Aufbau, Programmierung und Praxis

Was ist eine SPS?

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, englisch: Programmable Logic Controller, PLC) ist ein industrieller Computer, der Maschinen und Anlagen in Echtzeit steuert. Sie liest Eingangssignale (Sensoren, Taster, Lichtschranken), verarbeitet diese nach einem gespeicherten Programm und schaltet Ausgänge (Motoren, Ventile, Heizungen, Zylinder). Dieser Zyklus wiederholt sich kontinuierlich, typischerweise im Bereich von 1 bis 50 Millisekunden.

Die SPS ist das Gehirn jeder automatisierten Produktionsmaschine. Ob Spritzgussmaschine, CNC-Bearbeitungszentrum, Verpackungslinie oder Pressenstrasse: In praktisch jeder modernen Fertigungsanlage steckt mindestens eine SPS. Sie entscheidet, wann ein Zylinder ausfährt, wann eine Spindel dreht, wann ein Förderband startet und wann eine Schutztür entriegelt wird.

Im Kontext der Fertigungsdigitalisierung ist die SPS die wichtigste Datenquelle am Shopfloor. Sie kennt den Maschinenzustand in Echtzeit: ob die Maschine läuft, steht, rüstet, im Automatikbetrieb ist oder eine Störung hat. Diese Informationen sind die Grundlage für jede Form der Maschinendatenerfassung.

Aufbau einer SPS

Eine SPS besteht aus wenigen Grundkomponenten, die modular aufgebaut sind.

CPU (Zentraleinheit). Die CPU führt das Anwenderprogramm aus. Sie liest die Eingänge, verarbeitet die Logik und schreibt die Ausgänge. Moderne CPUs wie die Siemens S7-1500 oder die Beckhoff CX-Serie verarbeiten mehrere tausend Anweisungen pro Millisekunde. Die Zykluszeit (Scanzeit) bestimmt, wie schnell die SPS auf Veränderungen reagiert.

Eingangsbaugruppen (DI/AI). Digitale Eingänge (DI) erfassen binäre Signale: Ein/Aus, 0/1. Beispiele: Endschalter, Lichtschranke, Not-Aus-Taster. Analoge Eingänge (AI) erfassen kontinuierliche Werte: Temperatur (4-20 mA oder 0-10 V), Druck, Drehzahl, Durchfluss. Ein typisches Maschinenmodul hat 16 bis 32 digitale Eingänge und 2 bis 8 analoge Eingänge.

Ausgangsbaugruppen (DO/AO). Digitale Ausgänge (DO) schalten Aktoren: Magnetventile, Schütze, Signalleuchten. Analoge Ausgänge (AO) steuern Stellglieder mit variablen Werten: Frequenzumrichter, Proportionalventile, Heizungsregler.

Kommunikationsmodule. Moderne SPS-Steuerungen haben integrierte Ethernet-Schnittstellen und unterstützen industrielle Protokolle: Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP. Über diese Schnittstellen kommuniziert die SPS mit anderen Steuerungen, mit HMI-Panels (Bedienpanels), mit übergeordneten Systemen (SCADA, MES) und mit dem Firmennetzwerk.

Stromversorgung. Die Spannungsversorgung liefert die 24 V DC für die SPS-Baugruppen und die Sensorik. In kritischen Anwendungen wird sie redundant ausgelegt.

Wie eine SPS programmiert wird

Die Programmierung einer SPS erfolgt nach der internationalen Norm IEC 61131-3, die fünf Programmiersprachen definiert.

In der Praxis werden KOP und FUP am häufigsten eingesetzt, weil sie visuell verständlich sind und auch von Instandhaltungstechnikern gelesen werden können, die keine Softwareentwickler sind. Strukturierter Text gewinnt an Bedeutung, weil er kompakter ist und sich besser für komplexe Algorithmen eignet.

Die gängigsten Entwicklungsumgebungen im DACH-Raum sind das TIA Portal von Siemens (für S7-1200 und S7-1500), TwinCAT von Beckhoff, CODESYS (herstellerunabhängig, genutzt u.a. von Wago, ABB, Bosch Rexroth) und Studio 5000 von Rockwell Automation (für Allen-Bradley ControlLogix/CompactLogix).

SPS-Hersteller und ihre Systeme

Der SPS-Markt wird von einer Handvoll Herstellern dominiert, die in unterschiedlichen Branchen und Regionen stark vertreten sind.

Siemens (SIMATIC). Marktführer im DACH-Raum und in weiten Teilen Europas. Die S7-1500 ist die aktuelle Hauptbaureihe für mittlere bis komplexe Anlagen. Die S7-1200 für kleinere Anwendungen. Ältere Baureihen (S7-300, S7-400, S5-115U) sind in Bestandsanlagen noch weit verbreitet. Programmierung über TIA Portal. Kommunikation über Profinet.

Beckhoff. PC-basierte Steuerungstechnik. Die SPS-Funktion läuft als Software (TwinCAT) auf einem Industrie-PC. Vorteil: hohe Rechenleistung, flexible Skalierung, OPC UA nativ integriert. Stark in der Verpackungstechnik, Holzverarbeitung und bei Sondermaschinen.

Rockwell Automation (Allen-Bradley). Marktführer in Nordamerika. ControlLogix und CompactLogix sind die Standardplattformen. Programmierung über Studio 5000. Kommunikation über EtherNet/IP. In Europa vor allem bei US-amerikanischen OEMs und deren Zulieferern anzutreffen.

Wago, ABB, Bosch Rexroth, Schneider Electric. Diese Hersteller nutzen CODESYS als Programmierumgebung und bieten Steuerungen für verschiedene Leistungsklassen. Wago ist besonders stark bei der dezentralen I/O-Technik und bei Gebäudeautomation. ABB und Bosch Rexroth in der Antriebstechnik und Robotik.

In einem typischen mittelständischen Fertigungsbetrieb im DACH-Raum stehen oft Maschinen mit Steuerungen von 3 bis 5 verschiedenen Herstellern. Eine Spritzgussmaschine hat eine Beckhoff-Steuerung, die CNC-Fräse eine Siemens Sinumerik, das Förderband eine Wago-SPS und die Verpackungsmaschine einen Allen-Bradley. Diese Heterogenität ist der Normalfall und die grösste Herausforderung bei der Maschinenanbindung.

SPS und Maschinendatenerfassung

Die SPS kennt den Maschinenzustand besser als jede andere Komponente. Sie weiss in jedem Zyklus: Läuft die Maschine? Steht sie? Ist es ein technischer Stillstand oder ein Rüstvorgang? Welche Alarme sind aktiv? Wie hoch ist die aktuelle Zykluszeit? Welche Stückzahl wurde produziert?

Für ein MES ist die SPS daher die primäre Datenquelle. Es gibt grundsätzlich drei Wege, Daten aus einer SPS in ein übergeordnetes System zu bringen.

OPC UA. Der moderne Standard für die Kommunikation zwischen SPS und IT-Systemen. OPC UA ist herstellerunabhängig, verschlüsselt und unterstützt komplexe Datenmodelle. Die meisten aktuellen SPS-Generationen (Siemens S7-1500, Beckhoff TwinCAT, Wago PFC) haben einen integrierten OPC UA Server. Das MES verbindet sich als OPC UA Client und liest die gewünschten Datenpunkte (Stückzahl, Zykluszeit, Maschinenstatus, Alarme, Prozesswerte). Bei SYMESTIC erfolgt die Verbindung über den OPC UA Cloud Connector, der die Daten sicher in die Cloud-Plattform überträgt.

Digitale Signale über IoT-Gateways. Bei älteren Steuerungen (Siemens S5, ältere S7-300, proprietäre Steuerungen), die kein OPC UA unterstützen, werden digitale Maschinensignale über ein IoT-Gateway abgegriffen. Das Gateway wird parallel an bestehende Signale angeschlossen (Maschinenstatus-Leuchte, Zyklusende-Signal, Störungssignal) und wandelt sie in Daten um. Das erfordert keinen Eingriff in die SPS-Programmierung und keine Unterbrechung der Produktion. SYMESTIC setzt hierfür DI-Gateways ein, die in 2 bis 4 Stunden pro Maschine installiert werden.

Direkte SPS-Kommunikation über proprietäre Protokolle. Einige MES-Systeme kommunizieren über herstellerspezifische Protokolle direkt mit der SPS (z.B. Siemens S7-Protokoll, Mitsubishi MC-Protokoll). Das erfordert Kenntnisse der jeweiligen Steuerungswelt und ist weniger flexibel als OPC UA, funktioniert aber auch bei älteren Steuerungen ohne OPC UA.

Was SYMESTIC aus der SPS liest

SYMESTIC greift keine Daten aus der SPS ab, die in den Fertigungsprozess eingreifen. Die Kommunikation ist lesend, nicht schreibend. Die SPS bleibt unangetastet in ihrer Funktion als Maschinensteuerung.

Was über OPC UA oder digitale Gateways erfasst wird:

• Maschinenstatus. Automatik, Manuell, Stillstand, Störung, Rüsten. Daraus berechnet SYMESTIC Verfügbarkeit, Stillstandszeiten und den Verfügbarkeitsfaktor der OEE.
• Stückzahlen. Zyklusende-Signal oder Teile-Zähler aus der SPS. Daraus berechnet SYMESTIC Ausbringung, Leistungsfaktor und Soll-Ist-Vergleich.
• Zykluszeiten. Die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zyklusende-Signalen. Daraus erkennt SYMESTIC Leistungsverluste, Mikrostopps und Zykluszeitdrift.
• Alarme und Störmeldungen. SPS-Alarme werden über das Alarme-Modul erfasst und mit Stillständen korreliert. Bei Neoperl hat die Korrelation von SPS-Alarmen mit Stillständen und Qualitätsdefekten zu 10 % weniger Stillständen geführt.
• Prozessdaten. Temperaturen, Drücke, Drehzahlen, Ströme. Über das Prozessdaten-Modul werden diese Werte historisch gespeichert und für Trendanalysen bereitgestellt.

Der entscheidende Punkt: SYMESTIC bindet Maschinen an, ohne in die SPS-Programmierung einzugreifen. Es wird kein SPS-Programm geändert, kein Baustein hinzugefügt, kein Zyklus beeinflusst. Die Produktion läuft weiter, während die Datenerfassung aufgesetzt wird.

Bestandsmaschinen ohne moderne SPS

In den meisten Fertigungsbetrieben stehen nicht nur aktuelle Steuerungen. Es gibt Maschinen von 1995 mit einer Siemens S5-115U, die seit 30 Jahren zuverlässig Teile produziert. Es gibt Pressen mit einer proprietären Steuerung, die kein Ethernet hat. Es gibt CNC-Maschinen mit einer Fanuc-Steuerung, die zwar Daten liefern kann, aber über ein Protokoll, das kaum dokumentiert ist.

Die Frage, die Fertigungsunternehmen stellen: Können auch diese Maschinen angebunden werden?

Die Antwort: Ja, fast immer. Jede Maschine, die produziert, erzeugt mindestens ein verwertbares Signal. Eine Signalleuchte (grün/gelb/rot) zeigt den Maschinenstatus. Ein Zyklusende-Signal (Zylinderrücklauf, Auswerferbewegung, Teile-Ausgabe) zeigt, wann ein Teil fertig ist. Ein Störungssignal (Sammelstörung) zeigt, wann die Maschine steht.

Diese Signale werden über ein DI-Gateway abgegriffen, ohne die bestehende Verkabelung zu verändern. Das Gateway wird parallel angeschlossen und leitet die Daten über LTE, WLAN oder Ethernet an die Cloud weiter. Keine Netzwerkinfrastruktur nötig, kein SPS-Eingriff, keine Produktionsunterbrechung.

Martin Brandels Erfahrung aus über 30 Jahren Automatisierung bestätigt das: "Ich habe seit 1991 Maschinen an übergeordnete Systeme angebunden. Wer behauptet, eine Maschine könne keine Daten liefern, hat noch nicht genau genug hingeschaut."

SPS im ISA-95-Modell

Im ISA-95-Referenzmodell, das die Ebenen der Fertigungsautomatisierung beschreibt, sitzt die SPS auf Ebene 1 (Steuerungsebene) und Ebene 2 (Prozessleitebene). Darüber liegt Ebene 3 (MES) und Ebene 4 (ERP).

Die SPS ist der natürliche Übergabepunkt zwischen der physischen Maschinenwelt (Ebene 0-1) und der digitalen Fertigungssteuerung (Ebene 3). OPC UA und IoT-Gateways bilden die Brücke zwischen diesen Ebenen. Ein MES wie SYMESTIC liest Daten von Ebene 1 und stellt sie auf Ebene 3 für Produktionskennzahlen, Stillstandsanalysen, Auftragssteuerung und Qualitätsmanagement bereit.

Häufige Fragen zur SPS

Was ist der Unterschied zwischen SPS und PLC?

Kein Unterschied. SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) ist der deutsche Begriff, PLC (Programmable Logic Controller) der englische. Im internationalen Umfeld wird PLC verwendet, im DACH-Raum sind beide Begriffe gebräuchlich.

Wie lange hält eine SPS in der Produktion?

SPS-Steuerungen sind für Dauerbetrieb unter rauen Industriebedingungen ausgelegt. Typische Lebensdauern liegen bei 15 bis 25 Jahren. In der Praxis laufen viele Steuerungen deutlich länger. Das Problem ist nicht die Hardware, sondern die Ersatzteilversorgung und die Softwarekompatibilität: Wenn Siemens eine Baureihe abkündigt, gibt es irgendwann keine Ersatzteile und keine aktuellen Programmierumgebungen mehr. Dann wird ein Retrofit nötig.

Muss die SPS für die Maschinenanbindung an ein MES umgeschrieben werden?

Nein, nicht bei SYMESTIC. SYMESTIC liest Daten über OPC UA (bei modernen Steuerungen) oder über digitale Signale via IoT-Gateway (bei älteren Steuerungen). In beiden Fällen wird das SPS-Programm nicht verändert. Die Produktion läuft weiter, während die Datenerfassung aufgesetzt wird.

Welche SPS-Steuerungen kann SYMESTIC anbinden?

Grundsätzlich jede. Über OPC UA: alle aktuellen Steuerungen mit integriertem OPC UA Server (Siemens S7-1500, Beckhoff TwinCAT, Wago PFC und andere). Über digitale Gateways: jede Maschine, die ein verwertbares digitales Signal liefert, unabhängig von Hersteller und Baujahr. Bei Carcoustics hat SYMESTIC über 500 Anlagen in mehreren Werken angebunden, darunter Spritzgussmaschinen, Kaltschäumanlagen und Stanzautomaten mit unterschiedlichsten Steuerungen.

Was ist OPC UA und warum ist es für die SPS-Anbindung wichtig?

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) ist ein herstellerunabhängiger Kommunikationsstandard für die industrielle Automatisierung. Er ermöglicht es, Daten aus einer SPS sicher, strukturiert und verschlüsselt an übergeordnete Systeme wie ein MES zu übertragen. OPC UA löst ältere proprietäre Protokolle ab und ist die Grundlage für die vertikale Integration in der Fertigung. SYMESTIC nutzt OPC UA als primären Anbindungsweg für moderne Steuerungen.

Über den Autor:

Martin Brandel

MES Consultant und Projektleiter bei der symestic GmbH. Über 30 Jahre Erfahrung in industrieller Automatisierung und Maschinenanbindung. Dipl.-Ing. Nachrichtentechnik.