SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) vs. RTU (Remote Terminal Unit)
| Kriterium | SPS (Steuerung) | RTU |
|---|---|---|
| Hauptfunktion | Lokale Steuerung und Automatisierung | Fernüberwachung und Datenerfassung |
| Architecture | CPU + lokale E/A + Feldbus | Mikrocontroller + E/A + Kommunikationsmodem |
| Verarbeitungskapazität | ✓ Hoch (komplexe Logik, PID, FFT) | ✗ Eingeschränkt (Erwerb + Übertragung) |
| Programmiersprachen | ✓ IEC 61131-3 (LD, FBD, ST, SFC, IL) | Ausschließlich parametrische Konfiguration |
| Native Protokolle | Modbus, PROFIBUS, PROFINET, EtherNet/IP | DNP3, IEC 60870-5-101/104, Modbus |
| Beispiele für Marken | Siemens S7, Schneider M340/M580, Rockwell | Schneider Easergy, ABB RTU560, GE D200 |
| Stromverbrauch | ✗ Mittel bis hoch (5–50 W) | ✓ Sehr gering (< 2 W im Standby-Modus) |
| Stromversorgung | 24 V Gleichstrom oder 120/230 V Wechselstrom | ✓ Großer Gleichstrombereich, Batterie/Solar |
| Temperaturbereich | -10 °C bis +60 °C (Standard) | ✓ -40 °C bis +70 °C (verstärkt) |
| Scan-Zeit / Echtzeit | ✓ 0,5 bis 10 ms (strikte Echtzeit) | ✗ 100 ms bis einige Sekunden |
| Stückkosten | ✗ 500€ bis 5000€+ | ✓ 200€ bis 2000€ |
| E/A-Skalierbarkeit | ✓ Hervorragend (Erweiterungsmodule) | ✗ Eingeschränkt (feste oder halb-feste Konfiguration) |
| CPU-Redundanz | ✓ Verfügbar (Hot Standby) | ✗ Rare (verteilte Topologie) |
| Integrierte Netzwerkkonnektivität | ✗ Ethernet, optional GSM/4G über Modul | ✓ Natives 4G/GSM, Ethernet, 900-MHz-Funk |
| Einhaltung von Standards | IEC 61131-3, IEC 62443, SIL | IEC 60870-5, DNP3, IEC 61850 |
8 technische Aspekte bei der Entscheidung zwischen SPS und RTU
Die SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) ist das Gehirn der lokalen Automatisierung. Sie führt zyklisch ein Steuerungsprogramm aus (typische Abtastzeit 1 bis 10 ms), liest die physikalischen Eingänge (Sensoren, Taster, Drehgeber) aus und steuert die Ausgänge (Schütze, Frequenzumrichter, Ventile) an. Die führenden Hersteller – Siemens mit der S7-Reihe, Schneider Electric mit den Modicon M340- und M580-Reihen sowie Rockwell Automation mit den CompactLogix- und ControlLogix-Reihen – bieten skalierbare Architekturen von einigen Dutzend bis zu mehreren Tausend E/A-Punkten an. Die RTU (Remote Terminal Unit) ist für den Einsatz an entfernten Standorten konzipiert, oft in rauen Umgebungen mit begrenzter Stromversorgung, um Daten zu erfassen und an eine SCADA-Zentrale zu übertragen.
Die Norm IEC 61131-3 vereinheitlicht die Programmierung von SPSen in fünf standardisierten Sprachen. Das Ladder-Diagramm (Kontaktplan) wird nach wie vor am häufigsten von Technikern aus dem Bereich der elektrischen Instandhaltung verwendet. Das Funktionsblockdiagramm wird vor allem für PID-Regelkreise und die Signalverarbeitung bevorzugt. Der Structured Text (ST, ähnlich wie Pascal/C) ist am leistungsfähigsten für komplexe Algorithmen und die Bearbeitung von Tabellen. Das Sequential Function Chart ist für Automatisierungsabläufe von Maschinen unverzichtbar. Die meisten modernen Entwicklungsumgebungen (TIA Portal, Unity Pro, Studio 5000) ermöglichen es, diese Sprachen innerhalb eines Projekts zu kombinieren, wobei jede Funktion die für ihre Logik am besten geeignete Sprache verwendet.
SPSen kommunizieren je nach Hersteller über lokale Automatisierungsprotokolle: PROFIBUS und PROFINET (Siemens-Ökosystem), EtherNet/IP und DeviceNet (Rockwell-Ökosystem). Für die Kommunikation mit einem SCADA-System nutzen sie Ethernet-Module und Protokolle wie Modbus TCP oder OPC-UA. RTUs sind von Haus aus für die SCADA-Kommunikation über große Entfernungen optimiert: DNP3 (robuster nordamerikanischer Standard für Verbindungen mit geringer Bandbreite), IEC 60870-5-101 (seriell über RS-485) oder IEC 60870-5-104 (TCP/IP). OPC-UA, der Kommunikationsstandard der neuen Generation, ist nun nativ auf den SPS-Modellen Siemens S7-1500, Schneider M580 und Rockwell ControlLogix verfügbar.
Moderne SPSen sind mit Hochleistungsprozessoren ausgestattet. Die Siemens S7-1516 verarbeitet 120 Millionen Binärbefehle pro Sekunde bei einer minimalen Scan-Zeit von 0,5 ms. Die Schneider M580-CPU nutzt einen ARM Cortex-A8-Prozessor mit 800 MHz, der komplexe Regelalgorithmen ausführen kann. Für Bewegungssteuerungsanwendungen (CNC, Robotik) gewährleisten spezielle Prozessoren (Motion Control Processor) Zykluszeiten von 125 µs bis 1 ms. Die RTUs beschränken sich auf 32-Bit-Mikrocontroller, die zwar für die Erfassung und Übertragung ausreichen (Zyklen von 100 ms bis zu mehreren Sekunden), für eine strenge Echtzeitsteuerung jedoch ungeeignet sind.
Der Stromverbrauch ist ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal. Eine moderne RTU verbraucht im Erfassungsmodus oft weniger als 2 W, sodass sie wochenlang mit Batterie- oder Solarstrom betrieben werden kann. Eine Einstiegs-SPS vom Typ Wago 750 oder Schneider TM221 verbraucht 5 bis 15 W, und eine mittelgroße SPS kann mit ihren E/A-Modulen mehr als 50 W verbrauchen. Der Temperaturbereich einer industriellen RTU reicht von -40 °C bis +70 °C, während Standard-SPSen für -10 °C bis +55 °C ausgelegt sind (bei einigen Modellen gibt es Varianten, die bis -25 °C reichen). Für abgelegene Standorte (Pumpstationen, Wettersensoren, Ölquellen) ist die stromsparende RTU oft die einzige praktikable Wahl bei autarker Stromversorgung.
Industrielle SPSen bieten ausgefeilte Redundanzlösungen für kritische Anwendungen. Die CPU-Hot-Standby-Redundanz (Siemens S7-400H, Schneider Quantum/M580 Hot Standby) hält eine sekundäre CPU in Echtzeit über einen dedizierten Synchronisationsbus synchron (Profibus-Kabel oder dedizierte Ethernet-Verbindung) in Echtzeit synchronisiert. Bei Ausfall der Haupt-CPU erfolgt die Umschaltung in weniger als 100 ms, für den Prozess transparent. Die Redundanz der 24-V-DC-Stromversorgungen ist Standard. Für SIL-Anwendungen (Safety Integrity Level) kombinieren Sicherheits-CPUs wie die nach SIL 3 zertifizierte Siemens S7-1516F Steuerung und funktionale Sicherheit in einem Gerät.
Die Grenze zwischen SPS und RTU verschwimmt durch vernetzte Mikro-SPSen. Die Modelle Wago 750-8216 und Phoenix Contact RFC 4072S vereinen Steuerungsfunktionen nach IEC 61131-3, einen RS-485-Modbus-RTU-Anschluss, eine Ethernet-Modbus-TCP-Schnittstelle und ein 4G-LTE-Modul auf einer einzigen Karte. Diese Edge-Controller vereinen das Beste aus beiden Welten: lokale Steuerungslogik, geringer Stromverbrauch und native 4G-Konnektivität. Sie lassen sich nahtlos in ein Eziwan-Gateway integrieren, um Daten sicher in die Cloud zu übertragen, und bilden so eine vollständige IIoT-Architektur für abgelegene Industriestandorte.
Eziwan lässt sich in beide Gerätefamilien integrieren. Bei den Siemens-SPS-Modellen S7-1200/1500 liest das Gateway die Register über Modbus TCP am integrierten Ethernet-Anschluss der CPU oder über das Modul CP 1243-1 aus. Bei den Schneider-SPSen M340/M580 erfolgt die Kommunikation über Modbus TCP am Ethernet-Anschluss des Prozessors. Bei den Rockwell CompactLogix-SPSen erfolgt die Kommunikation wahlweise über Modbus TCP oder EtherNet/IP. Bei RTUs kann Eziwan als modernes Kommunikationsmodem dienen und veraltete Funk- oder GSM-Modems ersetzen. Die Daten werden an die Eziwan-Cloud übertragen und sind über das Dashboard oder eine REST-API zugänglich, wobei jeder Zugriff zur Einhaltung der NIS2-Vorschriften vollständig protokolliert wird.
4 industrielle Anwendungen, die die Wahl zwischen SPS und RTU veranschaulichen
Hintergrund: Montagelinie mit 80 robotergesteuerten Arbeitsschritten, Förderbändern und Bildverarbeitungssystemen
Die Siemens-SPS S7-1516 steuert die 80 Roboter und Förderbänder mit einer Scan-Zeit von 1 ms für die kritischen Regelkreise. Der PROFINET-Bus verbindet alle Antriebe und Sensoren. Das Eziwan-Gateway verbindet sich über OPC-UA mit der S7-1500, um die Produktions-KPIs (OEE, Ausschussquote, Taktzahl) an das Cloud-MES zu übermitteln, ohne dass Änderungen am SPS-Programm erforderlich sind. Der sichere Fernzugriff über OpenVPN ermöglicht es dem Siemens-Supportteam, ohne Vor-Ort-Einsatz einzugreifen.
Hintergrund: Wasserversorgungsverband, der 60 netzunabhängige Stationen betreibt, die mit Solarenergie und Batterien versorgt werden
Jede Station verfügt über eine Easergy T200-RTU, die im Standby-Modus 1,8 W verbraucht und über eine 48-V-Batterie mit Strom versorgt wird, die über ein Solarmodul aufgeladen wird. Die RTU übermittelt Durchfluss, Druck und den Status der Pumpen über DNP3 via 4G an das zentrale SCADA-System. Eziwan ergänzt die Architektur, indem es einen sicheren Zugriff über die Smartphones der Wartungstechniker vor Ort ermöglicht und die Daten an eine Plattform für prädiktive Analysen weiterleitet.
Hintergrund: Netzwerk aus 15 20-kV/400-V-Stromverteilungsstationen, die überwacht werden sollen
Die ABB RTU560 gewährleistet die Überwachung der Umspannstation gemäß IEC 61850 (Messwerte, Status der Leistungsschalter, Schutzvorrichtungen). Eine Wago-Mikro-SPS steuert die lokalen Automatismen (Wiedereinschaltvorrichtungen, Schienenverbindung). Eziwan verbindet die beiden Geräte über 4G mit einem privaten APN von Orange Business mit dem Überwachungssystem des Netzbetreibers, wobei OpenVPN/IPSec für End-to-End-Sicherheit sorgt.
Hintergrund: SMT-Werk mit 25 Bestückungsautomaten, die an das MES angeschlossen werden sollen
Die Beckhoff CX5130 vereinen eine SPS nach IEC 61131-3 (TwinCAT 3) und Edge-Computing-Funktionen (Node-RED, Docker) auf einer einzigen Plattform. Jede Maschine wird in Echtzeit überwacht (Taktfrequenz, Fehlerquote, Verbrauch) und die Daten werden über MQTT an die InfluxDB-Cloud übertragen. Eziwan gewährleistet den sicheren Fernzugriff für die Fernwartung der TwinCAT-Programme vom Konstruktionsbüro aus, ohne dass Ports im Produktionsnetzwerk geöffnet werden müssen.
Die 5 kostspieligsten Fehler bei der Auswahl und dem Einsatz von SPS/RTU
Ein Netzwerk aus 30 Drucksensoren an abgelegenen Brunnen benötigt nicht die Leistung einer S7-1500. Eine RTU für 300 Euro, die im Batteriebetrieb 1,5 W verbraucht, ist besser geeignet als eine Steuerung für 2000 Euro, die im Netzbetrieb 30 W verbraucht. Bewerten Sie den tatsächlichen Bedarf, bevor Sie sich für eine Plattform entscheiden.
Ein vollständig in Ladder-Diagramm geschriebenes Programm für einen komplexen Regelalgorithmus ist unlesbar und schwer zu warten. Verwenden Sie für jeden Block die richtige Sprache: ST für Berechnungen, LD für elektrische Schaltungen, SFC für Ablaufsequenzen. Dies erleichtert die Wartung durch andere Techniker und reduziert Fehler.
Eine Siemens S7- oder Schneider M340-SPS, die direkt im Internet erreichbar ist, stellt ein Ziel für automatisierte Angriffe dar. Tausende von SPSen sind öffentlich zugänglich. Der Fernzugriff muss immer über ein sicheres Gateway wie Eziwan mit OpenVPN-Tunnel erfolgen, niemals direkt über eine NAT-Regel auf dem Router.
In einer gemischten SPS- und RTU-Architektur müssen die Zeitstempel der Ereignisse synchronisiert sein. Ein RTU-Energiezähler und eine SPS, die dasselbe Ereignis mit einer Zeitstempelabweichung von mehreren Sekunden beschreiben, machen die Analyse von Störungen unmöglich. Verwenden Sie NTP (Network Time Protocol) auf jedem Gerät, synchronisiert mit einem zuverlässigen NTP-Server.
Eine Steuerung, deren Programm nicht auf einer Speicherkarte oder einem Server gesichert ist, ist eine tickende Zeitbombe: Ausfall der CPU-Batterie, Austausch einer defekten CPU ohne Softwaresicherung, unbeabsichtigtes Update. Speichern Sie das Programm nach jeder Änderung systematisch auf einer MMC-/SD-Karte und auf einem Versionskontrollserver (Git, SVN).
SPS oder RTU – je nach Branche?
Die netzunabhängigen, solar- und batteriebetriebenen Pumpstationen benötigen eine Leistungsaufnahme von weniger als 5 W. Die RTU mit integriertem 4G-Modem überträgt die Daten zu Durchfluss, Druck und Pumpenzustand über IEC 60870-5-104 an das zentrale SCADA-System. Das Eziwan-Gateway kann die Fernüberwachung durch eine sichere Datenübertragung in die Cloud ergänzen.
Produktionslinien mit Förderbändern, Robotern, Pressen und Werkzeugmaschinen erfordern eine strenge Echtzeitsteuerung (Zyklen von 1 ms), komplexe Logik und Automatisierungsprotokolle (PROFINET, EtherNet/IP). Siemens S7-1500 und Rockwell ControlLogix dominieren diesen Markt.
Bohrlochköpfe in abgelegenen Gebieten mit Solarstromversorgung und extremen Temperaturen (-40 °C) erfordern RTUs mit geringem Stromverbrauch. DNP3 über UHF-Funk oder 4G mit Redundanz gewährleistet die Überwachung von den Kontrollzentren aus. Das Eziwan-Gateway sorgt für eine sichere Cloud-Anbindung.
Abfüllanlagen, Pasteurisierer und CIP-Reinigungssysteme erfordern eine präzise sequenzielle Logik (SFC nach IEC 61131-3) sowie eine in das MES integrierte Echtzeit-Rückverfolgbarkeit. Schneider M340 und Siemens S7-1200 sind die De-facto-Standards.
In den Umspannwerken kommen IEC 61850-konforme RTUs für die Überwachung und den Schutz zum Einsatz, kombiniert mit SPSen für die lokale Automatisierung (Lastabwurf, Netzumkonfiguration). Eziwan sorgt für die Datenübertragung an die Netzmanagement-Plattformen.
Eine SPS eignet sich hervorragend für die schnelle Steuerungslogik in einem lokalen Prozess mit hohem E/A-Aufkommen; eine RTU (Fernsteuerungseinheit) ist für entfernte Standorte konzipiert, robust, sparsam im Verbrauch und auf Telemetrie ausgerichtet. Die richtige Wahl hängt von der Zykluszeit, der Umgebung und den Fernsteuerungsprotokollen ab.
Programmiersprachen für SPSen (LD, ST, FBD, SFC, IL). Ein Überblick über die Welt der SPSen und ihre zyklische Steuerungslogik.
Serielle Fernsteuerungsprotokolle (101) und TCP/IP (104) – das Herzstück der RTUs für die Energie- und Wasserversorgung: Zeitstempel, Ereignisse, Fernbefehle.
Weit verbreitetes Telemetrieprotokoll (Nordamerika, Versorgungsunternehmen): Ausnahmemeldungen, Integritätsprüfung, Zeitstempel an der Quelle.
Kommunikation von Schaltanlagen (GOOSE, MMS). Stellt hohe Echtzeitanforderungen, in der Regel auf der Seite spezieller SPSen/IEDs.
Klimatische/mechanische Prüfungen und IP-Schutzart: Die RTU-Geräte sind für Temperaturen von -40 bis +70 °C sowie hohe IP-Schutzarten für den Einsatz im nicht klimatisierten Außenbereich ausgelegt.
OT-Sicherheit: SPSen, die als RTUs für die Telemetrie genutzt werden, müssen hinter einem verschlüsselten Gateway platziert werden, ohne direkten Zugriff vom WAN aus.
An einem dicht besetzten Standort (Fabrik, Produktionslinie) übernimmt die SPS die Steuerung im Schnellregelkreis. In einem weit verstreuten Netzwerk (Wasser-/Energieversorgungsstationen) legt die RTU den Schwerpunkt auf Ausfallsicherheit, Zeitstempel an der Quelle und standardisierte Fernsteuerungsprotokolle.
| Kriterium | PLC | RTU |
|---|---|---|
| Zykluszeit | 1-10 ms | 10–100 ms (Telemetrie) |
| E/A-Dichte | Hoch (100–1000) | Mäßig, verteilt |
| Environnement | 0 bis +55 °C (Schrank) | -40 bis +70 °C (im Freien) |
| Native Protokolle | Modbus, PROFINET, EtherCAT | IEC 60870-5-104, DNP3 |
| Alimentation | 24 VDC Werkstatt | Großer Bereich / Solarstrom-Batterie |
| Anwendungsfälle | Linie, Maschine, Verfahren | Verteilte Wasser-/Energieversorgungsstationen |
Viele neuere Steuerungen sind Hybridgeräte (SPS mit IEC-104/DNP3-Stack): Das entscheidende Kriterium sind nach wie vor die Umgebung und das Kommunikationsmodell.
RTU im Außenbereich an jeder Station (Füllstand, Pumpen, Überlauf), Telemetrie nach IEC 60870-5-104 über 4G-Gateway, zentrale Überwachung.
Weitere Informationen zu industriellen OT-Architekturen
4G/LTE-Gateway mit integriertem Modbus RTU/TCP. Sicherer Fernzugriff über OpenVPN. Kompatibel mit Siemens S7, Schneider M340/M580, Rockwell CompactLogix und allen Modbus-RTUs.