SPS vs. RTU: Was ist der Unterschied bei der Fernüberwachung?

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Lucas Moreau
Lucas Moreau
OT/IT-Netzwerkingenieur

In Gesprächen zwischen Automatikern und Projektleitern werden die Begriffe SPS und RTU oft synonym verwendet – oder umgekehrt so dargestellt, als stünden sie in radikalem Gegensatz zueinander. Die Realität ist differenzierter: SPS und RTU sind zwei Gerätefamilien, die ursprünglich entwickelt wurden, um unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen. Mit dem IIoT haben sie sich zwar zunehmend angenähert, weisen jedoch nach wie vor grundlegende Unterschiede auf, die für die Wahl einer Fernüberwachungsarchitektur entscheidend sind.

Dieser Leitfaden klärt die Definitionen, vergleicht die beiden Technologien anhand der Kriterien, auf die es wirklich ankommt, und erklärt, wie sich jede einzelne in einer modernen SCADA- oder Cloud-Architektur aus der Ferne überwachen lässt.

Was ist eine SPS (API)?​

Eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung), auf Französisch API (Automate Programmable Industriel) genannt, ist ein Industriecomputer, der dafür ausgelegt ist, ein Steuerungs- und Regelungsprogramm in Echtzeit für einen lokalen industriellen Prozess auszuführen. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Ein- und Ausgänge (Sensoren, Aktoren) mit hoher Frequenz zu verarbeiten und eine Ablauf- oder Regelungslogik auszuführen.

Funktionsweise​

Die SPS arbeitet in einem zyklischen Ablauf: Erfassung der Eingänge, Ausführung des Programms, Aktualisierung der Ausgänge, dann von vorne. Die Zykluszeit beträgt typischerweise 1 bis 100 ms, je nach Komplexität des Programms und Leistung der CPU. Die Programmiersprachen sind durch die Norm IEC 61131-3 standardisiert: Ladder-Diagramm (LD), Funktionsblockdiagramm (FBD), Strukturierter Text (ST), Befehlsliste (IL) und Sequentielles Funktionsdiagramm (SFC).

Repräsentative Beispiele​

  • Siemens: S7-1200, S7-1500, S7-300 (veraltet)
  • Schneider Electric: Modicon M340, M580, M262
  • Allen-Bradley (Rockwell): ControlLogix, CompactLogix, MicroLogix
  • Omron: CX-Programmer, NX/NJ-Serie
  • Mitsubishi: MELSEC Q-Serie, iQ-R-Serie

Typische Anwendungsbereiche​

Eine SPS kommt überall dort zum Einsatz, wo komplexe Logik vor Ort ausgeführt werden muss: in Automobilfertigungslinien, Verpackungsmaschinen, robotergestützten Schweißzellen, mehrachsigen Förderanlagen, Prozessen in der Lebensmittelindustrie mit Rezepturverwaltung sowie bei der Mehrzonen-Temperaturregelung.

Das entscheidende Merkmal: Die SPS ist das Herzstück eines lokalen Prozesses, der es sich nicht leisten kann, auf eine Anweisung aus der Cloud zu warten, um innerhalb weniger Millisekunden eine Entscheidung zu treffen.

Was ist ein RTU?​

Eine RTU (Remote Terminal Unit – Remote Terminal Unit) ist ein Gerät, das dazu dient, Messdaten an einem entfernten Standort zu erfassen, zu bündeln und über ein Kommunikationsnetz – früher Funk oder Festnetz, heute GPRS/4G oder Glasfaser – an ein zentrales System (SCADA, Überwachungszentrale) zu übertragen. Ihre lokale Verarbeitungskapazität ist begrenzt; ihre Hauptaufgabe ist die Fernverwaltung: Informationen weiterzuleiten und in bestimmten Fällen einfache Befehle auszuführen, die von der Zentrale empfangen werden.

Funktionsweise​

Das RTU überwacht seine Eingänge (4–20 mA, Schaltzustände, Zählimpulse), speichert die Werte im Puffer und überträgt sie periodisch oder ereignisgesteuert an das zentrale SCADA-System. Bei einem Kommunikationsausfall speichert es die Daten weiterhin lokal (mit integriertem Zeitstempel) und überträgt sie nach Wiederherstellung der Verbindung zeitversetzt. Diese Funktion der zeitgestempelten Speicherung ist in Anwendungen in den Bereichen Wasser, Energie und Fernverwaltung von entscheidender Bedeutung.

Anwendungsbereiche​

  • Wasserversorgung und Abwasserentsorgung: Fernüberwachung von Pumpstationen, Überwachung von Wasserspeichern, Leckageerkennung
  • Energieversorgung: Hochspannungs- und Mittelspannungs-Umspannwerke, Überwachung von Transformatorenstationen
  • Gas: Überwachung von Übergabestationen, Fernmessung
  • Umwelt: Wetterstationen, Durchflussmessung an Fließgewässern, Luftqualität
  • Landwirtschaft: automatisierte Bewässerung, Fernmesssonden

Das Hauptmerkmal: Die RTU ist ein Satellitengerät, das an entfernten und oft unbewachten Standorten eingesetzt wird und dessen Hauptaufgabe darin besteht, den Betriebszustand der Anlage an eine zentrale Leitstelle zu übermitteln.

Vergleichstabelle: SPS vs. RTU​

KriteriumSPS (API)RTU
RechenleistungHoch – Zyklen von 1 bis 100 ms, komplexe LogikGering bis mittel – einfache Verarbeitung, keine mehrachsige Regelung
Feldschnittstelle (E/A)Modulare digitale und analoge E/A, hohe DichteAnaloge E/A (4–20 mA), digitale E/A, Impulszählung, Messung
Native ProtokolleModbus TCP/RTU, OPC-UA, PROFIBUS, EtherNet/IP, PROFINETModbus RTU, DNP3, IEC 60870-5-101/104, IEC 61968
StromverbrauchMittel bis hoch (24-V-DC-Versorgung, mehrere Ampere)Gering (ausgelegt für mögliche Solar-/Batterieversorgung)
UmgebungsbeständigkeitIndustrietauglich, jedoch für den festen Einbau in Schaltschränken optimiertKonzipiert für unbeaufsichtigte Standorte, extreme Kälte, Hitze und Feuchtigkeit
Typische AnwendungLokale Automatisierung, Maschinen, ProduktionslinienFernüberwachung, SCADA-Systeme für Wasser/Energie, abgelegene Standorte
Preis500 € bis 10.000 € je nach Leistung und E/A300 € bis 3.000 € je nach E/A und Protokollen
ProgrammierungIEC 61131-3 (LD, FBD, ST…) – AutomatisierungsingenieurVereinfachte Parametrierung oder Herstellersprache – Fernsteuerungstechniker
FernkommunikationOPC-UA, Modbus TCP, über GatewayDNP3, IEC 104, Modbus RTU über 4G, nativ über WAN
Redundanz / Offline-PufferEingeschränkt – darauf ausgelegt, ständig verbunden zu bleibenNativ – Speicherung mit Zeitstempel bei Netzwerkausfall

Wann sollte man sich für eine SPS entscheiden?​

Die SPS ist die richtige Wahl, wenn die folgenden Kriterien erfüllt sind:

Komplexe lokale Logik. Wenn Ihre Anlage eine mehrstufige Ablaufsteuerung, eine PID-Regelung mit mehreren Regelkreisen, eine Rezepturverwaltung oder die Koordination mehrerer Stellantriebe erfordert, verfügt nur eine SPS über die erforderliche Rechenleistung und die passende Entwicklungsumgebung.

Kritische Reaktionszeit. Ein Förderband, das einen Stau innerhalb von 10 ms erkennen und die Linie abschalten muss, kann sich nicht auf eine Entscheidung aus der Cloud verlassen. Die SPS trifft die Entscheidung lokal und in Echtzeit.

Kontrollierte Umgebung. Die Anlage ist in einem temperaturgeregelten Schaltschrank in der Werkstatt installiert und verfügt über eine stabilisierte Stromversorgung. Extreme Umgebungsbedingungen (starke Kälte im Außenbereich, Batteriebetrieb, unbewachter Standort) liegen nicht vor.

Konkrete Beispiele:

  • Schweißroboter in einer Automobilfertigungslinie: Die SPS steuert die Synchronisation der Achsen, die Schweißsequenz und die Sicherheitsverriegelungen.
  • Verpackungsmaschine für pharmazeutische Produkte: Die SPS steuert den Produktfluss, das Wiegen, die Etikettierung und die Rückverfolgbarkeit gemäß FDA 21 CFR Part 11.
  • Kläranlage mit 6 Becken: Die SPS steuert die Befüllungs- und Entleerungsabläufe, die Pumpen und die Belüfter mit einer komplexen Regelungslogik.

Wann sollte man sich für eine RTU entscheiden?​

Das RTU ist in folgenden Situationen die richtige Wahl:

Unbeaufsichtigte Standorte. Eine Hebeanlage in 40 km Entfernung von der Leitstelle, die über ein Stromaggregat mit Notstrombatterie versorgt wird und sich in einem Schacht oder einem Raum ohne Klimaanlage befindet. Die RTU ist für diese Gegebenheiten ausgelegt.

Zahlreiche Messstellen. Ein Wasserversorgungsnetz kann 200 Pumpstationen und 500 Messstellen umfassen. Der Einsatz von SPS an jeder einzelnen davon wäre zu kostspielig und überdimensioniert. RTUs, die kostengünstiger und einfacher zu konfigurieren sind, sind daher die naheliegende Wahl.

Native SCADA-Protokolle. Wenn Ihr zentrales SCADA-System DNP3 oder IEC 60870-5-104 unterstützt (Protokolle, die für die Fernsteuerung mit Zeitstempelverwaltung, Ereignisablauf und intermittierender Kommunikation entwickelt wurden), wird eine RTU diese Protokolle nativ unterstützen, während eine SPS ein Gateway benötigt.

Autonomie bei Stromausfall. Die RTU speichert die Messwerte lokal mit präzisem Zeitstempel und überträgt sie gebündelt, sobald die Kommunikation wiederhergestellt ist. Diese Funktion ist in vielen Leistungsbeschreibungen für die Fernüberwachung von Wasser- und Energieversorgungssystemen vorgeschrieben.

Konkrete Beispiele:

  • Netzwerk von Luftqualitätsmessstationen: 80 Stationen, die alle 15 Minuten PM2,5-, NO₂- und O₃-Werte über 4G an den zentralen Server übertragen.
  • Gasversorgungsstationen: RTUs mit IEC 101 über Festnetzverbindung, anschließend Umstellung auf IEC 104 über IP, Überwachung durch die Leitstelle.
  • Landwirtschaftliche Bewässerung auf 500 ha: RTUs an jedem Sektorventil, gesteuert von der Betriebszentrale aus über SCADA.

Fernüberwachung einer SPS​

Die Fernüberwachung einer SPS basiert auf dem Abruf von Prozessvariablen aus der SPS und deren Übertragung an ein zentrales Überwachungssystem oder in die Cloud. Je nach SPS-Generation und verfügbarer Infrastruktur kommen verschiedene Methoden zum Einsatz.

OPC-UA: Der moderne Ansatz (S7-1500, Modicon M580, ControlLogix)​

Moderne SPSen (seit etwa 2015) verfügen über einen integrierten OPC-UA-Server. Das IoT-Gateway oder der SCADA-Server stellt als OPC-UA-Client eine Verbindung her, abonniert die gewünschten Variablen und erhält die Aktualisierungen in Echtzeit oder bei Wertänderungen. Die Sicherheit ist integriert (Verschlüsselung, Zertifikate, Authentifizierung per Benutzername/Passwort oder Client-Zertifikat).

Modbus TCP: die universelle Methode​

Modbus TCP wird von nahezu allen modernen SPSen und vielen älteren SPSen über Kommunikationsmodule (CP bei Siemens, NOE bei Schneider) unterstützt. Das IoT-Gateway fragt die Modbus-Register in festen Intervallen ab und überträgt die Werte an die Cloud. Einfach, universell, jedoch ohne nativen Mechanismus zur Benachrichtigung bei Änderungen.

Lokales IoT-Gateway​

Bei SPSen ohne native Netzwerkkonnektivität (S7-300 ohne Ethernet-CP, Modicon Quantum) wird ein IoT-Gateway über den seriellen RS-485- oder RS-232-Anschluss der SPS im Modbus-RTU-Modus angeschlossen und sorgt für die Datenübertragung in die Cloud. Dieser Ansatz ist für das SPS-Programm transparent.

Direkter Zugriff über VPN​

Für Wartungs- und Diagnosezwecke greift der Ingenieur von seinem Arbeitsplatz aus über einen VPN-Tunnel auf die SPS zu. Er sieht die SPS so, als befände sie sich im lokalen Netzwerk: TIA Portal für eine S7, Unity Pro für eine Modicon, Studio 5000 für eine ControlLogix. Auf der Seite der Produktionsstätte sind keine Ports offen.

Fernüberwachung einer RTU​

Die Fernüberwachung ist der Hauptzweck der RTU. Die Protokolle und Methoden unterscheiden sich von denen der SPS, da sie von Anfang an für die Kommunikation über instabile WAN-Verbindungen konzipiert wurden.

DNP3: Das historische Protokoll der Versorgungsunternehmen​

DNP3 (Distributed Network Protocol 3) ist das in Nordamerika vorherrschende Fernsteuerungsprotokoll für Stromnetze und Wasserversorgungssysteme. Es unterstützt von Haus aus intermittierende Kommunikation, Zeitstempel für Ereignisse, Ausnahmemeldungen (Meldung nur bei Wertänderung) und Datenklassen (Klassen 0, 1, 2, 3 zur Priorisierung von Alarmen).

Eine DNP3-RTU verbindet sich über TCP/IP (DNP3 über IP) oder über eine serielle Funkverbindung mit dem zentralen SCADA-Master. Bei einer 4G-Verbindung baut die RTU eine DNP3-TCP-Sitzung zum Master-Server auf.

IEC 60870-5-101 und IEC 60870-5-104​

Diese Protokolle der IEC-Norm sind die europäischen Entsprechungen von DNP3 und werden in Frankreich und Europa häufig in Energie- und Wasserversorgungsnetzen eingesetzt. IEC 101 ist die serielle Variante (RS-232/485), IEC 104 ist die TCP/IP-Variante (die derzeitige Wahl für 4G- und Glasfaser-Implementierungen).

Ein RTU nach IEC 104 baut eine TCP-Verbindung zum SCADA-Master über Port 2404 auf. Es überträgt die Daten im Spontandomodus (bei Änderungen) oder als Antwort auf allgemeine Abfragen des Masters.

Modbus RTU über 4G​

Bei einfacheren Installationen oder bestehenden Anlagenbeständen kann eine RTU ihre Daten über Modbus TCP übertragen, das über 4G gekapselt ist. Das 4G-Gateway vor Ort erstellt einen VPN-Tunnel zum zentralen SCADA-System; das SCADA-System fragt die RTU über diesen Tunnel per Modbus TCP ab, als befände sie sich im lokalen Netzwerk.

Beispiel für eine RTU-Installation im Bereich Wasserversorgung​

Ein Wasserverband überwacht 45 Pumpstationen über ein zentrales SCADA-System. Jede Station verfügt über eine RTU mit:

  • 8 analogen Eingängen 4–20 mA (Durchfluss, Druck, Füllstand)
  • 16 digitale Eingänge (Pumpenzustände, Alarme)
  • 4 digitale Ausgänge (Pumpensteuerung)
  • Kommunikation nach IEC 104 über 4G LTE mit Failover auf eine sekundäre SIM-Karte

Das SCADA-System fragt jede RTU alle 5 Minuten ab (allgemeine Abfrage) und empfängt Alarme im Spontanmodus. Bei Überschreitung eines Schwellenwerts wird der Alarm innerhalb von weniger als 10 Sekunden weitergeleitet.

Die Konvergenz von SPS und RTU im IIoT​

Die Grenzen zwischen SPS und RTU verschwimmen seit etwa zehn Jahren, angetrieben durch das IIoT und die Nachfrage nach Cloud-basierter Überwachung:

Moderne SPSen verfügen über integrierte RTU-Funktionen. Die Modicon M262, die Siemens S7-1500T oder die CompactLogix 5380 verfügen über native Cloud-Schnittstellen (MQTT, OPC-UA), lokale Speichermöglichkeiten und Fernwartungsprotokolle. Eine S7-1500 mit IoT-Gateway kann die Rolle einer leistungsstarken RTU übernehmen.

Moderne RTUs verfügen über integrierte SPS-Logik. Geräte wie der Schneider Electric SCADAPack 470 oder der Wago 750-8207 bieten eine Rechenleistung und eine Programmierumgebung nach IEC 61131-3, die mit kompakten SPS vergleichbar sind, und unterstützen dabei weiterhin die nativen Fernsteuerungsprotokolle (DNP3, IEC 104).

Edge-Computing lässt Grenzen verschwinden. Der Trend geht zu vielseitigen Geräten, die fortschrittliche lokale Verarbeitung (maschinelles Lernen anhand von Sensordaten, Schwingungsanalyse, Anomalieerkennung), Multiprotokoll-Kommunikation und gleichzeitige Cloud-Überwachung ermöglichen. Diese „Edge-Controller“ vereinen das Beste aus beiden Welten.

Praktische Empfehlung. Bei neuen Anlagen spielt die Unterscheidung zwischen SPS und RTU eine immer geringere Rolle. Das entscheidende Kriterium lautet: Benötigen Sie lokale Echtzeitlogik (→ SPS), Fernverwaltung an einem entfernten Standort mit Utility-Protokollen (→ RTU) oder beides (→ Edge-Controller mit beiden Funktionen)? In jedem Fall erfolgt die Fernüberwachung heute über ein IoT-Gateway, das das Feldprotokoll abstrahiert und eine standardmäßige Cloud-API bereitstellt.

Architekturbeispiel: Überwachung von SPS und RTU über eine einzige Plattform​

In der Praxis sind in den installierten Anlagen SPS und RTU nebeneinander im Einsatz: eine von S7-1200-Steuerungen gesteuerte Anlage, Fernstationen mit älteren RTUs sowie einige Schaltschränke mit einfachen Modbus-Sensoren. Anstatt immer mehr Überwachungstools zu stapeln, nutzt die einheitliche Architektur das Gateway:

SPS (Modbus TCP, S7, OPC-UA) + RTU (Modbus RTU, DNP3) + RS-485-Sensoren → Eziwan-Gateway → 4G-M2M-SIM-Karte oder Ethernet → ausgehender VPN-Tunnel → Eziwan-Cloud → einheitliche Überwachung, Warnmeldungen und Fernzugriff pro Gerät.

Das Gateway abstrahiert das Feldprotokoll: Auf Plattformseite lassen sich ein RTU-Register aus den 2000er Jahren und eine OPC-UA-Variable einer neuen S7-1500 auf genau dieselbe Weise überwachen. Dadurch kann die Überwachung modernisiert werden, ohne auf die Erneuerung des Bestands warten zu müssen.

Modernisierungskosten: Ersetzen oder anschließen?​

Bevor Sie eine veraltete RTU durch eine moderne SPS ersetzen, sollten Sie die beiden Szenarien miteinander vergleichen:

SzenarioTypische Kosten pro StandortZeitaufwandRisiko
Vollständiger Austausch der RTU durch eine kommunikationsfähige SPS5.000 bis 15.000 € (Hardware + Planung + Neuverkabelung + Tests)Mehrere Wochen, Stillstand des StandortsFunktionsrückführung, Neukalibrierung
Hinzufügen eines 4G-Gateways zur bestehenden AnlageEinige hundert Euro + AbonnementWeniger als ein Tag, ohne StillstandNahezu null (nur Lesezugriff möglich)

In den meisten Fällen erfüllt das Gateway die tatsächlichen Anforderungen – Cloud-Überwachung, Warnmeldungen, Fernzugriff – zu einem Bruchteil der Kosten und ermöglicht es, den Austausch der Hardware entspannt über mehrere Jahre hinweg zu planen.

FAQ​

Kann man in einer Fernüberwachungsanwendung für die Wasserversorgung eine RTU durch eine SPS ersetzen? Technisch gesehen ja, aber mit einigen Einschränkungen. Wenn Ihr zentrales SCADA-System DNP3 oder IEC 104 unterstützt, kann eine SPS ohne spezielles Kommunikationsmodul diese Protokolle nicht nativ umsetzen. Es wird ein DNP3/IEC 104 → Modbus- oder OPC-UA-Gateway benötigt. Zudem sind SPSen in der Regel energieintensiver und für Batterie- oder Solarstromversorgungen weniger geeignet. Die RTU bleibt die optimale Wahl für Fernüberwachungsanlagen im Wasser- und Energiebereich.

Kann eine RTU eine SPS in einer Produktionslinie ersetzen? Nein, und zwar aus zwei Gründen: Die Rechenleistung reicht für komplexe Ablauf- und Regelungslogiken nicht aus, und RTUs sind nicht für Zykluszeiten unter 100 ms ausgelegt. Eine RTU kann jedoch als Ergänzung zu einer Haupt-SPS einfache Geräte in einer Produktionslinie überwachen (Füllstandssensoren, Zustände von Handventilen).

Wie kann ich ein älteres RTU überwachen, dessen Protokoll von meinem Cloud-SCADA-System nicht unterstützt wird? Ein Protokoll-Gateway (Moxa, Advantech, Eziwan) kann ein veraltetes Feldprotokoll (DNP3, IEC 101, BSAP) in MQTT oder OPC-UA umwandeln, das von einem modernen Cloud-SCADA-System verstanden wird. Dies ist oft kostengünstiger als der Austausch der RTUs bei einem Bestand von Hunderten von Geräten.

Was ist der Unterschied zwischen einer RTU und einem Datenlogger? Ein Datenlogger speichert Messwerte passiv in seinem Speicher, um sie später auszulesen (häufig über USB oder SD-Karte). Eine RTU überträgt die Daten aktiv an ein zentrales System – entweder nahezu in Echtzeit oder ereignisgesteuert. Einige moderne Geräte kombinieren beide Funktionen (Datenlogger mit 4G-Übertragung), doch die funktionale Unterscheidung bleibt relevant.

Weiterführende Informationen​

Sie überwachen einen Bestand an SPSen oder RTUs und möchten die Fernüberwachung zentralisieren? Entdecken Sie die Eziwan-Lösungen für den Fernzugriff auf Steuerungen und SPSen.

Weitere Ressourcen​