Die SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) ist ein zentraler Bestandteil der Automatisierungstechnik und spielt eine entscheidende Rolle in der industriellen Wasser- und Abwasserbehandlung. Sie ermöglicht die Steuerung, Überwachung und Regelung von Prozessen durch die Verarbeitung von Eingangssignalen, die Durchführung von programmierbaren Steuerungslogiken und die Ausgabe von Steuersignalen. In der Praxis kommt die SPS in nahezu allen Anlagen der Wassertechnik zum Einsatz, um Prozesse sicher, effizient und flexibel zu gestalten.
Inhaltsverzeichnis
Grundlagen der SPS
Die SPS ist ein elektronisches Gerät, das in der Lage ist, komplexe Steuerungs- und Regelungsaufgaben zu übernehmen. Sie ersetzt herkömmliche Verdrahtungslogik, wie sie früher mit Relais und Schützen realisiert wurde, und bietet deutlich mehr Flexibilität und Anpassungsmöglichkeiten. Eine SPS besteht typischerweise aus folgenden Komponenten:
Hardwarekomponenten
- Zentraleinheit (CPU): Die CPU ist das „Gehirn“ der SPS und führt das Steuerungsprogramm aus. Sie verarbeitet Eingangs- und Ausgangssignale und steuert die Abläufe in der Anlage.
- Eingangsmodule: Diese erfassen Signale von Sensoren wie Druck-, Temperatur-, Durchfluss- oder Füllstandssensoren.
- Ausgangsmodule: Sie steuern Aktoren wie Pumpen, Ventile oder Dosieranlagen.
- Kommunikationsmodule: Dienen der Datenübertragung zu anderen Steuerungen, Leitsystemen (SCADA/PLS) oder der Cloud.
- Speicher: Integrierte Speicher halten das Steuerungsprogramm und die Prozessdaten bereit.
Software und Programmierung
Die SPS wird über spezielle Entwicklungsumgebungen programmiert, die die Logik und Steuerungsanweisungen in der CPU implementieren. Zu den gängigen Programmiersprachen gehören die nach IEC 61131-3 standardisierten Sprachen:
- AWL (Anweisungsliste): Eine textbasierte Sprache, geeignet für einfache Steuerungsaufgaben.
- KOP (Kontaktplan): Eine grafische Sprache, die sich an der klassischen Verdrahtungslogik orientiert.
- FUP (Funktionsplan): Grafische Darstellungen für komplexe logische Verknüpfungen.
- ST (Strukturierter Text): Eine Hochsprache, die besonders für mathematische Berechnungen und anspruchsvolle Algorithmen geeignet ist.
- AS (Ablaufsprache): Ideal für die Abbildung sequentieller Prozesse, wie Schrittkettensteuerungen.
Foto: Unsere Schaltanlage mit eigenentwickelter ALMA Controle Software – Anlagentechnik, Schaltschrankplanung & Programmierung – Alles aus einer Hand (Verfahren: CP-Anlage ALMA CHEM MCW)
Einsatzbereiche der Steuerung in der Wasser- und Abwassertechnik
In der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung sind steuerungstechnische Lösungen von zentraler Bedeutung, um die komplexen und oft stark variierenden Prozesse sicher und effizient zu betreiben. Die Steuerung übernimmt dabei die zentrale Aufgabe, alle Anlagenteile miteinander zu verknüpfen und die reibungslose Kommunikation zwischen Sensorik, Aktorik und Prozessleitsystemen sicherzustellen. Durch den Einsatz von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) wird eine flexible, präzise und zuverlässige Automatisierung der Anlagen ermöglicht.
SPS-basierte Steuerungssysteme
Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind das Herzstück moderner Automatisierungstechnik und in der Wasser- und Abwassertechnik nicht mehr wegzudenken. Sie übernehmen Aufgaben wie:
- Steuerung von Betriebsabläufen: Von der Dosierung von Chemikalien bis hin zur Regelung von Pumpen und Ventilen.
- Sicherheitsüberwachung: Detektion von Grenzwertüberschreitungen und Einleitung von Notfallmaßnahmen.
- Anlagenüberwachung und -optimierung: Erfassung und Verarbeitung von Messdaten, um Betriebszustände zu analysieren und Prozesse zu optimieren.
Die Integration der Steuerung in Prozessleitsysteme wie SCADA ermöglicht es, die gesamten Anlagen zentral zu überwachen, zu steuern und zu dokumentieren.
Ganzheitlicher Ansatz: Anlagenplanung, Schaltschrankbau und Programmierung
Ein besonders großer Vorteil bei der Umsetzung von Steuerungslösungen in der Wasser- und Abwassertechnik liegt in der Kombination aus Anlagenauslegung, Schaltschrankplanung und SPS-Programmierung. Durch eine enge Verzahnung dieser Bereiche wird ein optimales Zusammenspiel der Systeme gewährleistet, was häufige Fehlerquellen, wie Kommunikationsprobleme an Schnittstellen, beseitigt.
Unsere Stärken im Zusammenspiel:
- Anlagenauslegung: Bereits in der Planung der Anlagenprozesse wird die Automatisierung in das Gesamtkonzept integriert.
- Schaltschrankbau: Die exakte Planung und der Bau der Schaltschränke berücksichtigen alle Anforderungen der SPS und der Sensorik/Aktorik.
- Programmierung: Die Programmierung der SPS wird speziell auf die individuellen Anforderungen der Anlage abgestimmt und auf eine reibungslose Kommunikation ausgelegt.
Durch diesen ganzheitlichen Ansatz entsteht eine fehlerfreie, gut abgestimmte Steuerungslösung, die nicht nur effizient arbeitet, sondern auch wartungsfreundlich und skalierbar ist.
SPS-Hersteller und Programmiersprachen
Die marktführenden Anbieter von SPS-Systemen stellen zuverlässige und flexible Steuerungslösungen bereit, die speziell für industrielle Anwendungen entwickelt wurden. Zu den bedeutendsten Herstellern gehören:
Siemens
Siemens ist mit seiner SIMATIC S7-Serie und der Programmiersoftware TIA Portal einer der führenden Anbieter von SPS-Systemen. Die Plattform ermöglicht eine intuitive Programmierung und bietet umfassende Funktionen für die Prozessautomatisierung. Siemens-Lösungen sind besonders in großen Anlagen und komplexen Anwendungen verbreitet.
Beckhoff Automation
Beckhoff bietet mit seinen CX-Steuerungen und der TwinCAT-Software flexible und PC-basierte Automatisierungslösungen. Die hohe Offenheit und Skalierbarkeit machen Beckhoff besonders für Anlagen interessant, bei denen individuelle Anpassungen erforderlich sind.
Rockwell Automation (Allen-Bradley)
Mit den ControlLogix- und CompactLogix-Systemen bietet Rockwell Automation robuste SPS-Lösungen, die vor allem in internationalen Anwendungen und der Prozessindustrie eingesetzt werden. Die Programmierung erfolgt über die leistungsfähige Software Studio 5000.
Schneider Electric
Die Modicon-Serie von Schneider Electric in Kombination mit der EcoStruxure Control Expert-Software ist besonders für energieeffiziente Steuerungslösungen ausgelegt. Schneider SPS-Systeme werden häufig in mittelgroßen Wasser- und Abwasseranlagen eingesetzt.
WAGO
WAGO bietet mit seinen 750er- und 760er-SPS-Systemen eine besonders kompakte und modulare Lösung, die sich für kleinere und mittelgroße Anlagen eignet. Die offene Architektur und die Unterstützung von Protokollen wie Modbus, BACnet oder OPC UA ermöglichen eine einfache Integration in bestehende Systeme. Die Programmierung erfolgt mit der Software e!COCKPIT oder auf Basis von CODESYS, was eine flexible Anpassung an verschiedene Anwendungsanforderungen erlaubt.
ABB
ABB liefert mit seiner AC500-Serie hochmoderne SPS-Lösungen, die sich durch ihre Robustheit und Flexibilität auszeichnen. Die SPS-Systeme von ABB sind besonders für den Einsatz in anspruchsvollen industriellen Umgebungen geeignet. Die Programmierung erfolgt mit Automation Builder, einer leistungsstarken Plattform, die umfassende Funktionen für Prozessautomatisierung, Energieüberwachung und Integration bietet.
Foto: Unsere Schaltanlage mit eigenentwickelter ALMA Controle Software – Anlagentechnik, Schaltschrankplanung & Programmierung – Alles aus einer Hand (Verfahren: Umkehrosmoseanlage ALMA OSMO)
Integration von Steuerung in Prozessleitsysteme
Die Integration von Steuerungssystemen in Prozessleitsysteme (PLS) oder SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) ist ein entscheidender Schritt, um die Komplexität moderner Wasser- und Abwasseranlagen zu bewältigen. Diese Integration ermöglicht eine zentralisierte Überwachung und Steuerung aller Anlagenteile, fördert die Transparenz von Betriebszuständen und optimiert die Effizienz und Sicherheit des Anlagenbetriebs.
Funktionen und Vorteile von Prozessleitsystemen
1. Visualisierung
Einer der größten Vorteile eines PLS oder SCADA-Systems ist die Möglichkeit, Steuerungsabläufe und Anlagenzustände in Echtzeit grafisch darzustellen.
- Interaktive Prozessbilder: Alle relevanten Daten, wie Füllstände, Drücke, Temperaturen, pH-Werte oder Durchflüsse, werden in übersichtlichen Grafiken angezeigt. Bediener können schnell auf Abweichungen reagieren.
- Alarmmeldungen: Kritische Zustände werden farblich hervorgehoben, und Alarme informieren in Echtzeit über potenzielle Störungen. Dies erleichtert die Fehlerdiagnose und beschleunigt die Fehlerbehebung.
- Simulationen: Viele PLS ermöglichen die Durchführung von Simulationen, um Prozesse zu testen, bevor sie in die Praxis umgesetzt werden.
2. Datenlogging
Die Erfassung und Speicherung von Prozessdaten in einer zentralen Datenbank ist ein zentraler Bestandteil moderner Prozessleitsysteme.
- Historische Datenanalyse: Langzeitdaten wie CSB-Werte, Durchflüsse oder Energieverbrauch können ausgewertet werden, um Trends zu erkennen und Optimierungspotenziale zu identifizieren.
- Berichterstellung: Automatisch generierte Berichte ermöglichen eine transparente Dokumentation von Betriebszuständen und dienen als Nachweis gegenüber Behörden oder Kunden.
- Wartungsplanung: Durch die Analyse von Betriebsdaten können Wartungsintervalle auf Basis tatsächlicher Belastung geplant werden (vorausschauende Wartung), was Ausfallzeiten reduziert.
3. Fernsteuerung
PLS- und SCADA-Systeme bieten die Möglichkeit, Anlagen über Netzwerke, einschließlich des Internets, aus der Ferne zu überwachen und zu steuern.
- Fernzugriff: Betreiber oder Service-Techniker können von jedem Ort aus auf die Anlage zugreifen, Diagnosen durchführen und Steuerparameter anpassen.
- Kosteneffizienz: Der Fernzugriff reduziert den Bedarf an Vor-Ort-Besuchen und ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Störungen.
- Sicherheitsmaßnahmen: Durch verschlüsselte Verbindungen und Benutzerrechte-Management wird sichergestellt, dass nur autorisierte Personen Zugriff auf kritische Anlagendaten und Steuerungen haben.
Technische Integration von Steuerung und PLS/SCADA
Die Verbindung von SPS und Prozessleitsystem erfolgt in der Regel über Industrieprotokolle, die einen zuverlässigen und standardisierten Datenaustausch sicherstellen. Häufig genutzte Protokolle sind:
- Modbus (TCP/RTU): Weit verbreitet in der Wasser- und Abwassertechnik, insbesondere für Pumpen- und Ventilsteuerung.
- OPC UA (Unified Architecture): Ermöglicht eine plattformunabhängige Kommunikation zwischen Steuerungssystemen und Leitsystemen mit integrierter Sicherheitsarchitektur.
- PROFINET/Profibus: Besonders geeignet für die schnelle Kommunikation innerhalb von Anlagen, etwa für Echtzeitsteuerung.
Die Implementierung erfolgt typischerweise über zentrale Steuerungen (z. B. Siemens SIMATIC oder ABB AC500), die alle relevanten Daten von Sensoren und Aktoren aufnehmen und an das PLS/SCADA-System weiterleiten.
Zukunftsperspektiven der SPS in der Wassertechnik
Die Weiterentwicklung der SPS-Technologie integriert zunehmend Konzepte aus der Digitalisierung und dem Internet of Things (IoT):
- IoT-Konnektivität: SPS-Systeme werden direkt mit cloudbasierten Plattformen verbunden, um globale Datenanalysen und Fernüberwachung zu ermöglichen.
- Künstliche Intelligenz (KI): KI-Algorithmen werden genutzt, um Betriebsdaten in Echtzeit zu analysieren und Vorschläge zur Prozessoptimierung zu generieren.
- Cybersicherheit: Mit der zunehmenden Vernetzung von Steuerungssystemen stehen Sicherheitskonzepte wie verschlüsselte Datenkommunikation und Benutzerrechte-Management im Fokus.
Fazit
Die SPS ist ein unverzichtbares Werkzeug in der industriellen Wasser- und Abwassertechnik. Sie bietet eine flexible, skalierbare und zuverlässige Lösung für die Steuerung, Überwachung und Optimierung von Prozessen. Durch die Kombination mit modernen Prozessleitsystemen und Technologien wie IoT oder KI bleibt die SPS ein zentraler Baustein für die Weiterentwicklung der Automatisierung in der Wassertechnik. Der gezielte Einsatz marktführender SPS-Systeme von Herstellern wie Siemens, Beckhoff, WAGO oder ABB ermöglicht es, maßgeschneiderte und leistungsstarke Steuerungslösungen für jede Anlage zu realisieren.
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