Klassische Steuerung vs. SPS – wann was?

Wenn eine Maschine auf Tastendruck einen Motor anlaufen lassen soll, braucht es eine Steuerung. Die entscheidende Frage ist: Wo lebt die Logik dieser Steuerung?

Bei der verbindungsprogrammierten Steuerung — kurz VPS — steckt die Logik in den Drähten. Ein Schütz hier, ein Hilfskontakt dort, eine Brücke zwischen zwei Klemmen. Die Funktion entsteht durch das, was wie verdrahtet ist. Will man die Funktion ändern, muss man umverdrahten. Klassische Schützsteuerungen mit Selbsthaltung, Verriegelungen und Wendeschaltungen fallen alle in diese Kategorie.

Bei der speicherprogrammierten Steuerung — kurz SPS — steckt die Logik in einem Programm. Die Hardware ist universell: ein paar Eingangsklemmen, ein paar Ausgangsklemmen, dazwischen ein Prozessor, der ein Programm abarbeitet. Will man die Funktion ändern, schreibt man das Programm um — die Verdrahtung bleibt unangetastet.

Die Fachsprache nennt diese beiden Welten Hardwarelogik (Funktion entsteht in Bauteilen und Drähten) und Softwarelogik (Funktion entsteht im Programm). Das ist der ganze Kern. Alles andere — Diagnose, Flexibilität, Kosten, Anwendungsfälle — folgt aus diesem einen Unterschied.

Die SPS entstand Ende der 1960er-Jahre in der Automobilindustrie, weil ständige Modellwechsel die Schaltschränke immer wieder umverdrahten ließen. Ein halbes Jahrhundert später ist die SPS aus der Industrie nicht mehr wegzuwählen. Trotzdem wird klassische Schützsteuerung weiter verbaut — manchmal aus gutem Grund, manchmal aus Gewohnheit. Welcher Grund wann zutrifft, klären die nächsten Kapitel.

Der entscheidende Unterschied ist nicht nur, wo die Logik liegt, sondern auch, wie sie ausgeführt wird.

Die VPS arbeitet parallel und ereignisgesteuert. Jeder Stromkreis ist eine eigene physikalische Leitung. Wird ein Taster gedrückt, schließt der kontakt, Strom fließt, das Schütz zieht an. Das geschieht in wenigen Millisekunden — und alle Stromkreise tun das gleichzeitig und unabhängig voneinander. Es gibt keine „Reihenfolge“ im Programm: Was sich gleichzeitig ändern will, ändert sich gleichzeitig.

Die SPS arbeitet zyklisch. Der Prozessor liest zuerst alle Eingänge ein, verarbeitet dann das Programm einmal von oben nach unten durch und schreibt am Ende die berechneten Zustände auf die Ausgänge. Dann beginnt der Zyklus von vorne. Dieser Ablauf heißt EVA-Prinzip (Eingabe – Verarbeitung – Ausgabe). Die Zeit, die ein Durchlauf benötigt, ist die Zykluszeit und liegt bei einer modernen Klein-SPS typischerweise im Bereich weniger Millisekunden.

Für die Praxis hat dieser Unterschied handfeste Folgen:

• Ein sehr kurzer Eingangsimpuls von etwa 2 ms sieht ein Schütz problemlos. Eine SPS mit 10 ms Zykluszeit kann denselben Impuls verpassen, wenn er genau zwischen zwei Eingangs-Abfragen liegt.
• In der VPS verläuft alles wirklich parallel. In der SPS wird Schritt für Schritt abgearbeitet — was im Programm weiter unten steht, „sieht“ Änderungen aus früheren Programmzeilen sofort.
• Die Reaktionszeit der SPS hat eine eingebaute Untergrenze: die Zykluszeit. Die VPS hat diese Grenze nicht; sie reagiert mit der elektromechanischen Schaltzeit ihrer Bauteile.

Die Details des zyklischen Programmablaufs sind ein eigenes Thema. Hier reicht der Kerngedanke: Was bei der VPS gleichzeitig passiert, passiert in der SPS nacheinander — nur so schnell, dass es von außen meist gleichzeitig wirkt.

Beispiel Selbsthaltung im direkten Vergleich:

In der VPS ist die Selbsthaltung ein Stück Verdrahtung. Ein-Taster und Hilfskontakt des Schützes liegen parallel, Aus-Taster in Reihe — Schaltplan und Logik sind dasselbe.

In der SPS ist die Selbsthaltung eine Programmzeile: Das Ausgangsbit wird gesetzt, wenn (Start ODER Selbsthaltebit) UND nicht Stopp wahr ist. Verdrahtet sind nur die Klemmen — Start-Taster auf Eingang 1, Stopp-Taster auf Eingang 2, Schütz auf Ausgang 1. Der Rest ist Software.

Beides liefert das gleiche Ergebnis. Nur der Weg dorthin ist fundamental verschieden — und damit auch alles, was später bei Änderungen und Fehlersuche passiert.

Eine Steuerungsentscheidung wird nicht „im Bauch“ getroffen, sondern an klaren Kriterien. Diese Tabelle stellt die wichtigsten Punkte gegenüber:

Drei Punkte sind in der Praxis besonders relevant:

Diagnose und Fehlersuche. Bei einer reinen VPS sieht man Drähte und Kontakte; mit Schaltplan und Multimeter findet sich der Fehler in den allermeisten Fällen — vorausgesetzt, der Schaltplan ist aktuell. Bei einer SPS sind Eingangs- und Ausgangszustände auf einen Blick in der Programmiersoftware sichtbar, oft auch aus der Ferne. Beides hat Vorteile; in komplexen Anlagen gewinnt meist die SPS, in einfachen die VPS.

Kostenstruktur. Eine VPS hat lineare Kosten: zwei zusätzliche Funktionen bedeuten zwei zusätzliche Schütze, mehr Verdrahtung, mehr Klemmen. Eine SPS hat einen Sockelpreis (das Gerät selbst), der sich auf viele Funktionen verteilt. Daraus folgt eine Schwelle, ab der die SPS günstiger wird — diese liegt erfahrungsgemäß je nach Anwendung im Bereich weniger Funktionen.

Lebenszyklus. Wer heute eine Schützsteuerung baut, kann in 20 Jahren oft noch dieselbe Hardware kaufen oder ersetzen. Wer heute eine SPS verbaut, sieht sich in 10 bis 15 Jahren mit Abkündigungen, neuen Software-Versionen und veränderten Programmiertools konfrontiert. Das spricht für SPS in dynamischen Umgebungen, für VPS in sehr langlebigen Anlagen mit klarer, stabiler Funktion.

Die Antwort auf „Schütz oder SPS?“ entsteht aus mehreren Kriterien gleichzeitig. Keines davon entscheidet allein — aber zusammen ergeben sie ein klares Bild.

Anzahl der Ein- und Ausgänge. Als grobe Faustregel: Bei weniger als etwa 8 bis 10 binären Funktionen ist eine Schützsteuerung wirtschaftlich konkurrenzfähig. Darüber wird die SPS in der Regel günstiger und übersichtlicher.

Komplexität der Logik. Einfache Verriegelungen, Selbsthaltungen und Stern-Dreieck-Schaltungen bilden sich mit Schützen sauber ab. Sobald Schrittketten, Zähler, Zeitfunktionen mit vielen Stufen, Vergleichsoperationen oder Analogwerte ins Spiel kommen, kippt das Verhältnis zur SPS.

Häufigkeit von Änderungen. Eine Anlage, deren Funktion über zwanzig Jahre exakt gleich bleibt, ist mit einer VPS gut bedient. Eine Anlage, an der jährlich neue Funktionen hinzukommen oder Programme umgestellt werden, schreit nach einer SPS.

Diagnose- und Visualisierungsbedarf. Soll der Betreiber Störungen aus der Ferne sehen, Betriebsstunden mitloggen oder Werte auf einem Display anzeigen? Das ist SPS-Heimat. Eine reine VPS kann das nur mit aufwendigen Zusatzkomponenten.

Kommunikation mit übergeordneten Systemen. Sobald Feldbus, OPC UA, Ethernet oder Anbindung an MES- oder Leitsysteme gefordert sind, führt praktisch kein Weg an einer SPS vorbei.

Investition versus Betrieb. Eine VPS hat klare Anschaffungskosten und kaum Betriebskosten. Eine SPS hat ähnliche Anschaffungskosten, dazu aber Engineering-Aufwand (Programmierung, Inbetriebnahme), Lizenzen für Software und Update-Aufwand über die Jahre. Bei wenigen Funktionen kann die VPS-Gesamtrechnung günstiger ausfallen, bei vielen die SPS.

Umgebungsbedingungen. Sehr raue Umgebungen mit Vibration, EMV-Belastung, hohen Temperaturen oder Staub verzeihen elektromechanischen Bauteilen mehr als elektronischen. In Schaltschränken im Maschinenbau spielt das kaum eine Rolle, in mobilen Maschinen oder Outdoor-Anlagen schon.

Lebenszyklus der Anlage. Soll die Anlage 30 Jahre stehen, ist die Verfügbarkeit von Ersatzteilen ein echtes Thema. Schütze gibt es heute noch in derselben Bauform wie vor 30 Jahren; bei einer SPS muss man in der Lebenszeit oft mit einem Plattformwechsel rechnen.

Faustregeln aus der Praxis:

• Bis ca. 8–10 E/A, einfache Logik, kaum Änderungen erwartet → Schützsteuerung
• Mittlere Komplexität, Wunsch nach Diagnose, einzelner Schaltschrank → SPS oder Logikrelais
• Vernetzte Anlage, Schrittketten, mehrere Bedienprogramme → eindeutig SPS
• Sicherheitskreise nach Risikobeurteilung → Sicherheitsschaltgerät oder Sicherheits-SPS, eigenes Thema

Die Welt der Steuerungen ist in der Praxis selten schwarz oder weiß. Zwischen reiner Schützsteuerung und „großer“ SPS liegt eine ganze Familie von Zwischenlösungen.

Kleinsteuerungen und Logikrelais. Geräte wie LOGO! von Siemens, Easy von Eaton, Zelio von Schneider oder Crouzet Millenium sind kompakte, programmierbare Geräte mit typisch 8 bis 24 Ein- und Ausgängen. Programmiert werden sie meist mit einem stark vereinfachten Funktionsplan oder Kontaktplan, häufig sogar direkt über das Gerätedisplay. Sie kosten einen Bruchteil einer „echten“ SPS, brauchen kaum Engineering und sind in vielen kleineren Anwendungen die wirtschaftlichste Lösung — Lichtsteuerungen, Heizungs- und Lüftungsanlagen, einfache Maschinenfunktionen.

Sie ersetzen klassische Verdrahtungen wie Wendeschützschaltungen oder Stern-Dreieck-Anläufe nicht, sondern bilden die Steuerlogik kompakt ab. Die Lastschütze bleiben — ihre Ansteuerung kommt aus dem Logikrelais statt aus einer Drahtbrücke.

Hybride Lösungen. Sehr verbreitet ist die Kombination: Der Hauptstromkreis (Motorabgänge) wird klassisch mit Schützen aufgebaut, die Steuerlogik liegt in einer SPS oder Kleinsteuerung. Diese Trennung kombiniert die Vorteile beider Welten — robuste, normgerechte Leistungsschaltung außen, flexible Logik innen. In den allermeisten modernen Schaltschränken läuft es genau so.

Sicherheitstechnik. Sicherheitskreise stellen besondere Anforderungen, die weder eine Standard-Schützsteuerung noch eine normale SPS allein erfüllt. Hier kommen Sicherheitsschaltgeräte oder Sicherheits-SPS zum Einsatz. Die Auswahl folgt dabei nicht den oben genannten Wirtschaftlichkeitskriterien, sondern der Risikobeurteilung nach ÖNORM EN ISO 12100 — der zentralen Norm für die Risikobeurteilung von Maschinen — und dem daraus abgeleiteten Performance Level. Eigenes Thema.

Wann Kleinsteuerung statt SPS? Faustregel: Wenn die funktion gut in 24 E/A passt, kein Feldbus verlangt wird, keine umfangreiche Programmierumgebung benötigt wird und ein einfaches Display als Bedienoberfläche reicht — dann ist die Kleinsteuerung meist die richtige Wahl. Wachsen die Anforderungen über diese Schwelle, gehört das Projekt zu einer richtigen SPS.

Mit den Kriterien aus den vorigen Kapiteln lässt sich der Großteil aller Steuerungsentscheidungen entlang weniger Schritte treffen.

Praxisbeispiel 1 — Bewässerungsanlage für ein Gewerbegrundstück. Eine Pumpe, ein Schwimmerschalter, ein manueller Wahlschalter „Hand-0-Auto“, eine Kontrollleuchte. Keine geplanten Erweiterungen, keine Vernetzung, normale Werkstattumgebung. → Klassische Schützsteuerung mit einem Hauptschütz und einem Hilfsrelais. Material kostet wenig, jeder Techniker kann sie warten, die Anlage läuft jahrzehntelang.

Praxisbeispiel 2 — Verpackungsmaschine in einem mittelständischen Betrieb. Drei verschiedene Produktgrößen, jeweils eigene Förderzeiten und Stempelhübe, Auswahl per Knopfdruck am Bedienpanel, Stückzählung, Anbindung an die Betriebsdatenerfassung. → SPS mit Bedienpanel ist hier die einzige sinnvolle Lösung. Eine Schützsteuerung würde an der Programmumschaltung scheitern; eine Kleinsteuerung wäre für die Vernetzung knapp.

Praxisbeispiel 3 — Tor- und Beleuchtungssteuerung einer Lagerhalle. Acht Sektionaltore, jedes mit zwei Endlagen, zentrale Bedienung im Meisterbüro, einfache Zeitschaltung der Außenbeleuchtung, Wunsch nach Anzeige offener Tore. → Kleinsteuerung wie LOGO! oder Easy. 16 E/A für Endlagen, ein paar Ausgänge für Antriebe und Lampe, ein kleines Display. Eine SPS wäre überdimensioniert, eine reine Schützsteuerung würde an Bedienkomfort und Statusanzeige scheitern.

Praxisbeispiel 4 — Erweiterung einer 20 Jahre alten Schützsteuerung um eine zusätzliche Verriegelung. Die Anlage läuft tadellos, der Schaltplan ist aktuell, eine einzige Funktion soll hinzukommen. → Ergänzung um ein Hilfsschütz oder Relais innerhalb der bestehenden VPS. Ein Umbau auf SPS wäre wirtschaftlich nicht zu rechtfertigen — die kleine Erweiterung passt in die bestehende Logik hinein.