Industriesteuerungen

Das Wichtigste in Kürze

Wofür werden Industriesteuerungen eingesetzt?

Industriesteuerungen werden eingesetzt, wenn Maschinen oder Anlagen definierte Abläufe ausführen, Prozesszustände erfassen und darauf mit elektrischen oder mechanischen Aktionen reagieren müssen. Sie bilden die Verbindung zwischen Sensoren, Aktoren, Bedienebenen, Leistungsteilen und übergeordneten Systemen. In der Praxis kann eine Industriesteuerung eine Heizung regeln, einen Antrieb ansteuern, Relais schalten, Solid-State-Schalter kontrollieren oder Sensordaten auswerten.

Ein typischer Steuerungsablauf folgt dem Prinzip Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe. Auf der Eingabeseite stehen Sensorsignale, digitale Zustände, analoge Messwerte, Feldbusdaten oder Bedienkommandos. In der Verarbeitung werden diese Informationen durch Softwarelogik, Mikrocontroller, SPS-Programme oder eingebettete Steuerungsfunktionen bewertet. Auf der Ausgabeseite entstehen Schaltsignale, Stellgrößen, Freigaben, Fehlerzustände oder Kommunikationsdaten für andere Systeme.

PICKPLACE betrachtet Industriesteuerungen daher nicht nur als einzelne Leiterplatte oder Softwarekomponente, sondern als Teil eines technischen Gesamtsystems. In einem Projekt wird geklärt, welche Signale anliegen, welche Lasten geschaltet werden, welche Reaktionszeiten erforderlich sind und welche Betriebszustände vorgesehen werden müssen. Dazu gehören auch Grenzfälle wie Einschaltvorgänge, Spannungsabfälle, fehlerhafte Sensorwerte, Lastspitzen oder unvollständige Kommunikationsdaten.

Industriesteuerungen können als fertige SPS-Systeme ausgeführt sein. In vielen Anlagen ist dieser Ansatz sinnvoll, wenn die Anforderungen mit verfügbaren Modulen, vorhandenen Feldbussen und standardisierten Automatisierungsfunktionen abgedeckt werden können. Daneben gibt es viele Anwendungen, bei denen eine individuelle embedded Steuerung benötigt wird. Das betrifft Systeme mit spezieller Bauform, besonderen Schnittstellen, definierten Kostenrahmen, integrierter Leistungselektronik oder enger Kopplung an eine spezifische Maschine.

Bei individuellen Steuerungen befinden sich Feldbusschnittstellen oft nach außen, während die interne Architektur über eine oder mehrere Karten gelöst wird. Eine Karte kann die Logik aufnehmen, eine weitere die Leistungsausgänge, eine dritte die Sensoranbindung oder Versorgung. Dadurch entstehen klare technische Schnittstellen innerhalb des Geräts. PICKPLACE unterstützt dabei, diese Aufteilung zu definieren, die Signalflüsse zu beschreiben und die Umsetzung so vorzubereiten, dass Hardware, Firmware und Inbetriebnahme zusammenpassen.

Was sind Besonderheiten von Industriesteuerungen?

Industriesteuerungen unterscheiden sich von vielen anderen Elektroniksystemen durch ihre Einsatzumgebung, ihre elektrischen Schnittstellen und ihre Einbindung in laufende Prozesse. Sie arbeiten häufig mit 12V-, 24V- oder 48V-Ebenen, schalten induktive oder ohmsche Lasten, erfassen Signale aus einer Umgebung mit Störungen und müssen mit Versorgungsspannungen umgehen, die nicht immer sauber oder konstant sind.

Die 24V-Ebene ist in vielen industriellen Anwendungen verbreitet. Sie wird für Sensoren, digitale Eingänge, Schaltausgänge, Relais, Ventile oder kleinere Aktoren genutzt. 48V-Architekturen kommen zum Einsatz, wenn höhere Leistungen oder bestimmte Antriebskonzepte berücksichtigt werden müssen. 12V-Versorgungen finden sich in Teilbereichen, Hilfsschaltungen oder spezifischen Geräten. Für die Entwicklung bedeutet das, dass Logikspannung, Feldspannung und Leistungsteile getrennt betrachtet werden müssen.

Eine Besonderheit liegt in der Trennung zwischen Steuerlogik und Lastseite. Mikrocontroller, Speicher, Kommunikationsbausteine und digitale Logik arbeiten mit niedrigen Spannungen und empfindlichen Signalen. Relais, Solid-State-Schalter, Sensorleitungen und Aktorausgänge sind dagegen direkter mit der Anlage verbunden. Diese Bereiche müssen elektrisch, thermisch und funktional sinnvoll voneinander abgegrenzt werden. PICKPLACE berücksichtigt dabei unter anderem Schutzbeschaltungen, Eingangsbeschaltungen, Treiberstufen, Massekonzepte und den Umgang mit Störimpulsen.

Auch die Kommunikation prägt die Architektur einer Industriesteuerung. Nach außen können Feldbusse, digitale Schnittstellen oder anlagenspezifische Protokolle erforderlich sein. Intern kann die Kommunikation zwischen mehreren Karten über Steckverbinder, serielle Busse oder definierte Signalleitungen erfolgen. Jede Schnittstelle muss so beschrieben werden, dass Datenrichtung, Signalpegel, Timing, Fehlerfälle und Startverhalten nachvollziehbar sind.

Ein weiterer Punkt ist die Nähe zur Industrieelektronik. In diesem Kontext geht es nicht nur um Softwarefunktionen, sondern auch um Leiterplattenaufbau, Bauteilauswahl, Versorgungskonzept, thermische Bedingungen, Schaltverhalten und mechanische Integration. Eine Steuerung kann funktional korrekt programmiert sein und trotzdem im Zielsystem Probleme verursachen, wenn Versorgung, EMV-Verhalten, Lasten oder Leitungsführung nicht zur Anwendung passen. Deshalb werden bei PICKPLACE Hardware und Software gemeinsam betrachtet.

Industriesteuerungen müssen außerdem nachvollziehbare Zustände besitzen. Für die Inbetriebnahme und spätere Fehlersuche braucht ein System definierte Startzustände, Fehlerausgaben, Diagnoseinformationen und klare Reaktionen auf ungültige Eingaben. Das kann Status-LEDs, Debug-Schnittstellen, Kommunikationsmeldungen, Logdaten oder messbare Signale auf der Leiterplatte umfassen. Welche Diagnoseebene benötigt wird, hängt vom Gerät, vom Montageort und von der Wartbarkeit im Feld ab.

Was ist bei der Entwicklung von Industriesteuerungen zu beachten?

Die Entwicklung einer Industriesteuerung beginnt mit der Systemarchitektur. Zuerst wird festgelegt, welche Funktionen die Steuerung übernehmen soll, welche Signale ein- und ausgehen, welche Spannungen verfügbar sind und welche Lasten geschaltet oder geregelt werden. Daraus entsteht eine Aufteilung in Eingänge, Verarbeitung, Ausgänge, Kommunikation, Versorgung und Schutzfunktionen.

Bei einer individuellen embedded Steuerung muss früh entschieden werden, welche Aufgaben in Hardware, Firmware oder einer übergeordneten Steuerung liegen. Eine einfache Schaltfunktion kann direkt in Hardware abgesichert werden, während Ablaufsteuerungen, Diagnosefunktionen oder Kommunikationslogik in Software abgebildet werden. Wenn eine SPS Teil des Systems ist, wird geklärt, welche Funktionen in der SPS verbleiben und welche durch zusätzliche Industrieelektronik ausgeführt werden.

Die Versorgung ist ein eigener Entwicklungsbereich. Industrielle Spannungen können durch lange Leitungen, Schaltvorgänge, Motoren, Relais oder andere Lasten beeinflusst werden. Daher wird nicht nur die nominelle Spannung betrachtet, sondern auch Einschaltverhalten, Unterspannung, Überspannung, Verpolung, Spannungseinbrüche und Störimpulse. Netzteilkonzept, Filterung, Schutzbeschaltung und Masseführung müssen zur Anwendung passen.

EMV-Anforderungen wirken sich auf Leiterplattenlayout, Steckverbinder, Gehäuseanbindung, Filter, Schirmkonzepte und Signalführung aus. Besonders bei Sensorleitungen und Leistungsausgängen kann das Zusammenspiel aus Leitungslänge, Lasttyp und Schaltflanken zu Fehlfunktionen führen. PICKPLACE berücksichtigt diese Abhängigkeiten bereits in der Architektur- und Layoutphase, damit spätere Messungen und Inbetriebnahmen nicht auf grundlegende Strukturprobleme zurückfallen.

Auch die Auswahl von Relais- oder Solid-State-Technik ist projektabhängig. Relais bieten galvanische Trennung und sind für bestimmte Lastfälle geeignet, bringen aber mechanische Eigenschaften, Schaltzyklen und Kontaktverhalten mit. Solid-State-Schalter arbeiten ohne mechanische Kontakte, benötigen jedoch eine Betrachtung von Verlustleistung, Leckströmen, Schutzfunktionen und thermischem Verhalten. Die Entscheidung hängt von Lastart, Schalthäufigkeit, Umgebung, Diagnosebedarf und Platz im Gerät ab.

Für Sensor-Schnittstellen wird geklärt, ob digitale Signale, analoge Werte, Stromschleifen, temperaturabhängige Messgrößen oder spezifische Protokolle vorliegen. Eingangsbeschaltungen müssen Signalbereiche abbilden, Störungen begrenzen und Fehlerzustände erkennbar machen. In der Software werden dazu Plausibilitätsprüfungen, Grenzwerte, Entprellung, Filterung oder Fehlermeldungen definiert.

Vor der Inbetriebnahme im Zielsystem sind Tests mit simulierten Daten hilfreich. PICKPLACE kann Steuerungsfunktionen mit offenen Testabläufen prüfen, bei denen Eingaben vorgegeben und Ausgaben bewertet werden. Bei Closed-Loop-Tests wird das Verhalten mit Rückkopplung betrachtet, etwa wenn ein Ausgang eine simulierte Strecke beeinflusst und daraus neue Eingangswerte entstehen. Dadurch lassen sich Logikfehler, Grenzfälle und Zustandswechsel prüfen, bevor die Steuerung an der realen Maschine arbeitet.

Weitere fachliche Einordnung

Mehrstufige Architektur aus Logik und Feldebene

Viele Industriesteuerungen bestehen aus mehreren Ebenen. Die Logikebene verarbeitet Zustände, führt Programme aus und kommuniziert mit anderen Systemen. Darunter liegt die Feldebene mit 24V- oder 48V-Signalen, Leistungsausgängen, Relais, Solid-State-Schaltern und Sensoranschlüssen. Zwischen diesen Ebenen liegen Treiber, Schutzbeschaltungen, Pegelanpassungen oder galvanische Trennungen.

Diese Trennung hilft bei der Projektstruktur. Hardwareentwicklung, Firmwareentwicklung und Inbetriebnahme können sich auf definierte Schnittstellen beziehen. Gleichzeitig müssen die Ebenen zusammen ausgelegt werden, weil eine Softwarefunktion nur dann korrekt wirkt, wenn Ausgangsstufe, Versorgung und angeschlossene Last dazu passen.

Interne Karten und externe Feldbusschnittstellen

Bei komplexeren Systemen kann die Steuerung aus mehreren Baugruppen bestehen. Eine interne Karte übernimmt die Rechenfunktion, eine andere die Versorgung, weitere Karten die Ein- und Ausgänge. Nach außen werden Feldbusschnittstellen, Sensorstecker, Aktoranschlüsse oder Bedienanschlüsse geführt.

Für ein solches System wird eine interne Schnittstellenbeschreibung benötigt. Sie legt fest, welche Signale zwischen den Karten laufen, wie Startreihenfolgen aussehen, welche Fehlerzustände gemeldet werden und wie die Baugruppen getestet werden können. Ohne diese Beschreibung entstehen in der Integration häufig Probleme, weil Hardware, Software und Verkabelung unterschiedliche Annahmen treffen.

Typische Techniken und Bausteine

• Industrial MPU TI AM243x
• Industrial Ethernet Hilscher netX 90
• RTOS FreeRTOS
• PROFINET Stack
• Embedded Linux Yocto Project

Unsere Leistungen

PICKPLACE unterstützt Projekte rund um Industriesteuerungen von der Architektur bis zur Inbetriebnahme im Zielsystem. Der Schwerpunkt liegt auf dem Zusammenspiel aus Hardware, Software und praktischer Prüfung an der Anwendung.

Wir entwickeln und bewerten Hardware für individuelle Industrieelektronik, etwa Eingangs- und Ausgangsstufen, Versorgungskonzepte, Relais- und Solid-State-Schaltungen, Sensor-Schnittstellen sowie mehrstufige Architekturen mit Logik- und Feldebene. Dazu gehört die Klärung von Spannungsbereichen, Lastprofilen, Schutzfunktionen, Steckverbindern und internen Kartenschnittstellen.

Auf Softwareseite arbeitet PICKPLACE an Steuerungslogik, Firmwarefunktionen, Zustandsautomaten, Diagnosefunktionen und Kommunikationsabläufen. Dabei wird festgelegt, welche Zustände das System kennt, wie Fehler erkannt werden und welche Ausgaben in welchem Betriebszustand zulässig sind.

Für die Inbetriebnahme prüfen wir das Verhalten im Zielsystem und mit simulierten Daten. Open-Loop-Tests dienen dazu, Eingaben gezielt vorzugeben und Ausgaben zu messen. Closed-Loop-Tests bilden Rückkopplungen ab und zeigen, wie sich die Steuerung in dynamischen Abläufen verhält. Ergänzend kann eine funktionale Isolation vorgenommen werden, um Teilfunktionen getrennt zu testen und Fehlerquellen zwischen Hardware, Software, Versorgung, Sensorik und Aktorik einzugrenzen.

PICKPLACE übernimmt damit Aufgaben in Analyse, Konzept, Entwicklung, Test und Übergabe. Ziel ist eine nachvollziehbare technische Grundlage, auf der eine Industriesteuerung aufgebaut, erweitert oder in eine Maschine integriert werden kann.