SPS – Hohe Produktivität bei gleichbleibender Qualität

Die SPS, die „Speicherprogrammierbare Steuerung“ (auch PLC – Programmable Logic Controller), ist das Herzstück moderner Produktionsmaschinen und -anlagen. Sie steuert zentral die Prozesse, die von der Maschine oder dem ganzen Maschinenverbund ausgeführt werden. Die SPS erlaubt damit nicht nur eine gleichbleibende Präzision der Bewegungsabläufe aller angeschlossenen Aktoren. Sie überwacht auch gleichzeitig den gesamten Produktionsprozess und ermöglicht eine beliebige Änderung der Prozesse. Flexibilität und Qualität gehen durch moderne SPS-Systeme damit Hand in Hand. Erstaunlicherweise hat die Speicherprogrammierte Steuerung bereits eine über 200-jährige Tradition.

Die Revolution des Herrn Jacquard

Joseph-Marie Jacquard war ein französischer Seidenweber, der von 1752 bis 1884 gelebt hat. Im Jahr 1804 brachte er eine Erfindung auf den Markt, die als Starschuss für die industrielle Revolution gelten kann: Der mit Lochkarten programmierte mechanische Webstuhl war den vormals verwendeten mechanischen – und in der Regel noch manuellen – Webstühlen haushoch überlegen. Durch eine zuverlässige automatische Fertigung mit beliebig „programmierbaren“ Mustern wurde vieles erreicht, welches auch heute noch für die Vorteile der Automatisierung spricht:

Verbesserung der Qualität
Beschleunigung der Produktion
Steigerung der Liefertreue
Längere Produktionszyklen

und schließlich: Eine erhebliche Verbilligung der Produktionskosten. Letzteres ist allerdings nicht nur auf Zustimmung gestoßen. Die ohnehin stets am Existenzminimum lebenden Arbeitskräfte der Weber gerieten durch die beginnende Automatisierung ihrer Arbeit zunehmend unter Druck. Eine Folge davon waren die Weberaufstände von 1844.

Das Prinzip der Lochkarte und ihrem späteren Nachfolger des Lochstreifens war so erfolgreich, dass sie sogar in den ersten programmierbaren Rechenmaschinen angewendet wurde. Die Rechenmaschinen von Hollerith wurden bereits 1890 damit ausgestattet. Vorher waren sie bei der Übertragung von Morsecodes in der Telegrafie erfolgreich im Einsatz.

Bewährt durch die Industrieanwendungen, den Fernmeldesystemen und sogar der Datenverarbeitung war es nur noch ein kleiner Schritt, bis die Lochkarten auch in Werkzeugmaschinen zum Einsatz kamen. Sie wurden dort bis in die 1970er Jahre hinein für die Steuerung von Dreh- und Fräsmaschinen verwendet. Auch hier konnten die Vorläufer der programmierbaren Steuerung durch die benannten Vorteile erfolgreich eingesetzt werden.

Die nächste Revolution: CNC

Trotz der seit den Weberaufständen bekannten Begleiterscheinungen der Automatisierung waren die Vorteile jedoch stets so groß, dass sie in allen Bereichen der Produktivwirtschaft und der Datenverwaltung weiter vorangetrieben wurde und bis heute wird – Stichwort: Industrie 4.0. Ehrgeizige Projekte wie die Eroberung des Weltraums oder der Überschallflug für Passagierflugzeuge trieben die Entwicklung der notwendigen Technologien weiter voran. Ein Teil dieser Entwicklung wurde von den programmierbaren Bearbeitungsmaschinen getragen. Statt manueller Fertigung von Dreh- und Frästeilen war das Herstellen von hochpräzisen Werkstücken auf programmierbaren Zerspanungsmaschinen ein wesentlicher Teil dieser Entwicklung. So gilt das Überschallflugzeug „Concorde“ als eines der ersten erfolgreichen Projekte, die mit CNC Maschinen – den „Computer Numeric Controlled“ Dreh- und Fräsmaschinen – hergestellt wurden.

Die CNC Maschinen waren in ihren Anfängen noch mit Lochkarten ausgestattet. Dabei wurden aber keine mechanischen Befehle, sondern bereits elektronische Impulse übertragen. Das Programmieren, also Stanzen, der Lochkarten und -streifen war schnell zu umständlich, langsam und unflexibel. Mit dem Aufkommen der bezahlbaren und leistungsstarken Informationstechnologie wurden die Lochkarten schnell von modernen Rechenmaschinen abgelöst. Statt Lochkarten und -streifen kamen ab Anfang der 1980er Jahre schon Magnetbänder und Disketten zum Einsatz. Heute haben moderne CNC Maschinen eine Internetverbindung und USB-Anschlüsse für die lokale Steuerung.

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Neben der wiederholgenauen, gleichbleibenden Fertigung innerhalb der gewünschten Toleranzen ermöglichte die fortgeschrittene CNC Steuerung auch die Produktion von Werkstücken, die aufgrund ihrer Komplexität auf manuellem Weg kaum herstellbar waren. Moderne 5-Achs-Fräsroboter stellen Konturen her, die auf den traditionellen 3-Achs Fräsmaschinen nicht möglich waren. CNC und damit auch SPS waren somit seit jeher ein echter Treiber für den technischen Fortschritt.

Zaghafte Anfänge, breite Anwendung

Von den Vorläufern abgesehen, gilt das Jahr 1969 als Startschuss für die Speicherprogrammierbare Steuerung in dem Sinne, wie sie heute verstanden wird. Die US-Amerikanischen Ingenieure Struder und Morley präsentierten in diesem Jahr mit dem „Modicon 084“ die erste Steuereinheit für Produktionsmaschinen und -anlagen. Obwohl insbesondere Morley mit der Bezeichnung „Computer“ für sein Gerät nicht glücklich war, genügte die „Modicon 084“ durchaus allen gängigen Definitionen für eine elektronische Rechenmaschine mit wechselbarer Programmierung.

In Deutschland waren fünf Jahre später es die Unternehmen Pilz und Klaschka, welche die ersten marktreifen SPS der Öffentlichkeit präsentieren konnten. Aus diesen Anfängen hat sich bis heute eine Branche mit ca. 300 Anbietern entwickelt, welche die SPS-Technologie immer weiter vorantreiben.

Komponenten einer SPS

Eine Speicherprogrammierbare Steuerung besteht aus:

Datenschnittstellen
Stromversorgung
Betriebssystem
Steuerungsprogramm

Dies betrifft jedoch nur das Kernmodul. Es ist jedoch nicht nur von der einprogrammierten Steuerung abhängig. Einen Großteil seiner Aktionsimpulse basiert auf die kontinuierlich zugeführten Informationen, welche die SPS durch die angeschlossenen Sensoren erhält. Diese Sensoren können sein:

Näherungssensoren
Füllstandssensoren
Temperatursensoren
Verschleißsensoren
Geschwindigkeitssensoren
Lichtschranken
Endlagenschalter

Die Sensoren liefern permanente IST-Werte, die von der SPS mit den einprogrammierten SOLL-Werten abgeglichen werden. Sauber eingestellt, ist eine Selbstzerstörung der Maschine (der gefürchtete CNC-Crash) daher weitestgehend ausgeschlossen. Liefert ein Sensor einen kritischen Wert, stoppt die Steuerung in der Regel den Produktionsprozess und gibt eine Warnmeldung aus. So kann ein geschulter Instandhaltungstechniker die Störung beseitigen und die Produktion ohne Schaden an der Maschine wieder anfahren. Diese Selbstregulation der SPS verhindert auch die Produktion von Fehlteilen bis zu einem gewissen Grad. Man spricht deshalb auch von „Regelsystemen“ als von „Steuerungssystemen“. Die SPS kann, abhängig von ihrer Ausbaustufe, ihre Prozesse selbst regeln.

Grenzen der SPS

Die SPS dient dazu, einen Produktionsprozess innerhalb der gewünschten Parameter kontinuierlich arbeiten zu lassen. Was eine SPS noch nicht kann, ist eine fortlaufende Qualitätssicherung. Um bei Großserien wirklich jedes Bauteil auf Einhaltung der Toleranzen (zum Beispiel Maßtoleranzen, Form- und Lagetoleranzen) zu überprüfen sind zusätzliche Technologien erforderlich. In der Praxis setzt man deshalb auch heute noch auf statistisch ausgewertete Stichproben (SPC). Diese lassen Trends, beispielsweise den Verschleiß eines Bearbeitungswerkzeugs, erkennen. Noch ist für die Erhebung der Stichproben, deren Auswertung, Interpretation und Treffen der Gegenmaßnahmen die menschliche Hilfe erforderlich.

In explosionsgefährdeten Bereichen wird die Speicherprogrammierbare Steuerung nur selten eingesetzt. Die Gefahr, durch Aktoren oder Sensoren einen Funkenschlag zu produzieren ist trotz aller Sicherungsmaßnahmen einfach zu groß. Raffinerien und andere Produktionsstätten mit Brand- oder Explosionsgefährdeten Stoffen werden deshalb vorwiegend durch hydraulische oder pneumatische Aktoren bedient. Allerdings spricht nichts dagegen, die Steuerung dieser Aktoren wieder einer leistungsstarken SPS zu überlassen.

Beim Einsatz der SPS gibt es Bedenken, sie in halbautomatischen Umgebungen einzusetzen. Dort, wo noch manuelle Arbeiten in einem Produktionsprozess zu erledigen sind, sieht man deshalb vom Einbau einer SPS ab. Zum einem ist es kaum einer menschlichen Arbeitskraft zuzumuten, sich dem sekundengenauen Takt einer SPS-gesteuertem Produktionszyklus zu unterwerfen. Zum anderem besteht bei diesen hybriden Produktionsweisen stets eine große Gefahr von Verletzungen. Die Speicherprogrammierbare Steuerung ist daher bis heute den vollautomatischen Produktionsprozessen vorbehalten oder wird so ausgelegt, dass sie von jeder beteiligten, menschlichen Arbeitskraft jederzeit gestoppt werden kann.

Alternative zur SPS: Die VPS

Die VPS, die „Verbindungsprogrammierte Steuerung“ wird bei der Diskussion rund um die SPS häufig als Alternative benannt. Umgangssprachlich wird die VPS als „Fest verdrahtete Steuerung“ bezeichnet. Ihr wesentlicher Unterschied zur SPS besteht darin, dass keine Software zur Steuerung der Maschinen und Anlagen eingesetzt wird. Die Steuerung geschieht durch den Einsatz von elektromechanischen Modulen, wie Relais, Spulen, Röhren, Schalter und andere elektronische Logikbausteine. Die VPS kann daher als Vorläufer der SPS betrachtet werden. In gewissen Umgebungen wird sie auch heute noch eingesetzt, wenngleich ihr Einsatz stark rückläufig ist. Der Vorteil der VPS gegenüber der SPS ist ihre Robustheit gegenüber Fremdeinflüssen. Ihr Nachteil ist jedoch die mangelhafte Flexibilität: Um einen Prozess umzuprogrammieren, muss die Steuerungseinheit neu verdrahtet und die Logikbausteine neu angeordnet werden. Dies ist nicht nur langsam und umständlich, sondern fördert auch den Verschleiß der Steuerungskomponente.

Vor- und Nachteile der Speicherprogrammierbaren Steuerung

Die Vorteile der SPS sind:

Kompakt im Aufbau
Keine mechanischen Komponenten (= lange Lebensdauer)
Kostengünstig
Zuverlässig
Vernetzbarkeit der Module
Tauglich für Datenfernübertragung und -steuerung
Kurze Reaktionszeiten
Hohe Flexibilität (keine „Neuverdrahtung“ notwendig)

Die Nachteile der SPS sind:

Hohe technische Ausstattung erforderlich (Interfaces, Schnittstellen, Datensicherung usw.)
Hohe personelle Qualifikation erforderlich
Nur eingeschränkte Anwendbarkeit (explosive und sicherheitsrelevante Umgebungen sind von Speicherprogrammierbarer Steuerung ausgeschlossen)
Anfällig bei Störungen oder Schwankungen in der Stromversorgung (was aber durch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) umgangen werden kann)
Hohe Qualifikation und Erfahrung bei Fehlersuche und Entstörung erforderlich

Einsatz von Speicherprogrammierbarer Steuerung heute

Die Speicherprogrammierbare Steuerung ist heute weitestgehend zum Industriestandard geworden. Die verfügbaren Systeme sind so preiswert, dass auch relativ einfache Maschinen heute mit einer leistungsstarken Steuerung ausgestattet werden können. Die eingesetzten Programmiersprachen sind so weit vereinfacht, dass sie in den Lehrstoff für Auszubildende und Maschinenbautechniker aufgenommen werden können. Tatsächlich gehört der Umgang mit der SPS heute zu den Grundqualifikationen gehobener Positionen in einem Produktivbetrieb. Diese Verbreitung der Kompetenz macht die Akzeptanz der Speicherprogrammierbaren Steuerung als neuen Industriestandard wesentlich einfacher.

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