SPS / API — Programmierbare industrielle Steuerung
Definition
Eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) – auf Französisch API (Automate Programmable Industriel) genannt – ist ein robuster Industriecomputer, der zur Automatisierung von Produktions- und Steuerungsprozessen in Echtzeit entwickelt wurde. Im Gegensatz zu einem Desktop-Computer ist die SPS für den Dauerbetrieb unter rauen Umgebungsbedingungen optimiert: extreme Temperaturen, Vibrationen, Feuchtigkeit, Staub und elektromagnetische Störungen.
Die SPS führt ein im Speicher abgelegtes Steuerungsprogramm aus und interagiert mit der physikalischen Welt über Eingänge (Sensoren, Taster, Durchflussmesser, Thermoelemente) und Ausgänge (Aktoren, Ventile, Motoren, Kontrollleuchten). Sie bildet das Gehirn von Produktionslinien, Wasseraufbereitungsanlagen, Umspannwerken und einer Vielzahl weiterer industrieller Anlagen.
Abkürzungen
| Akronym | Sprache | Bedeutung |
|---|---|---|
| PLC | Englisch | Programmable Logic Controller |
| API | Französisch | Automate Programmable Industriel |
| PAC | Französisch | Programmierbarer Automatisierungscontroller (gängige Bezeichnung für moderne Varianten) |
Funktionsweise – Der Scan-Zyklus
Die Funktionsweise einer SPS basiert auf einem Abtastzyklus (oder Steuerungszyklus), der sich endlos wiederholt, solange die SPS in Betrieb ist:
- Einlesung der Eingänge: Die SPS erfasst den Zustand aller ihrer physikalischen Eingänge (digital und analog) und kopiert diese in einen internen Speicherbereich, der als Eingangs-Abbildtabelle bezeichnet wird.
- Programmausführung: Der Prozessor führt das Anwenderprogramm (Ladder, FBD, ST, IL oder SFC gemäß der Norm IEC 61131-3) unter Verwendung der Eingangsabbildtabelle aus.
- Aktualisierung der Ausgänge: Die Ergebnisse des Programms werden in die Ausgangstabelle geschrieben und anschließend an die physikalischen Ausgänge übertragen, um die Geräte anzusteuern.
- Systemaufgaben: Kommunikation, interne Diagnosen, Aktualisierung des Zeitstempels.
Die Dauer eines Scanzyklus liegt in der Regel zwischen 1 ms und 100 ms, je nach Komplexität des Programms und des Steuerungsmodells. Sicherheitsanwendungen (SIL) erfordern Zykluszeiten von weniger als 10 ms in Verbindung mit Watchdog-Mechanismen.
Wichtigste Hersteller und Produktreihen
Der Markt für speicherprogrammierbare Steuerungen wird von mehreren großen Industrieherstellern dominiert:
Siemens
- S7-1200: Kompakte Baureihe für kleine bis mittlere Anwendungen, kompatibel mit TIA Portal, native Ethernet-Kommunikation, unterstützt Modbus TCP, Profinet und OPC-UA.
- S7-1500: Hochleistungsbaureihe mit integrierter Sicherheit (F-CPU), extrem kurzen Zykluszeiten sowie erweiterten Trace- und Diagnosefunktionen.
- S7-300 / S7-400: Historische Baureihen, die in bestehenden Anlagen nach wie vor weit verbreitet sind.
Schneider Electric
- Modicon M340: SPS der Mittelklasse, modulares Rack, native Ethernet- und Modbus-TCP-Kommunikation.
- Modicon M580: Ethernet-basierte SPS mit CPU-Redundanz und OPC-UA-Kommunikation, das Herzstück vieler neuer Anlagen.
- Modicon Quantum: Hochverfügbarkeitsserie für die Prozessindustrie (Petrochemie, Energie).
Rockwell Automation (Allen-Bradley)
- MicroLogix: Kompakte Einstiegsserie.
- CompactLogix: vielseitige, modulare Produktreihe mit nativem Ethernet/IP-Protokoll, die in der nordamerikanischen Fertigungsindustrie weit verbreitet ist.
- ControlLogix: Hochleistungsproduktreihe mit redundantem Chassis.
Mitsubishi Electric
- Produktreihen MELSEC iQ-R und MELSEC-F (FX): in Asien sowie in der Automobil- und Pharmaindustrie weit verbreitet.
Beckhoff
- Produktreihe CX / BX: PC-basierte SPS (PC-based automation), unterstützt nativ EtherCAT, OPC-UA und TwinCAT. Besonders geeignet für Motion-Control-Anwendungen.
Unterstützte Kommunikationsprotokolle
Moderne Steuerungen unterstützen je nach Hersteller und Produktreihe eines oder mehrere der folgenden Protokolle:
| Protokoll | Physikalische Schicht | Hauptanwendung |
|---|---|---|
| Modbus RTU | RS-232 / RS-485 | Serielle Kommunikation mit Sensoren, Antrieben, Zählern |
| Modbus TCP | Ethernet | Netzwerkkommunikation mit SCADA, Gateways, HMI |
| OPC-UA | Ethernet | Standardisierter Datenaustausch mit heterogenen Systemen und der Cloud |
| Profinet | Ethernet | Deterministische Siemens-Kommunikation zwischen SPS und dezentralen Geräten |
| Ethernet/IP | Ethernet | Rockwell/ODVA-Standard für die industrielle Kommunikation |
| S7Comm / S7Comm+ | Ethernet | Proprietäres Siemens-Protokoll (erfordert Bibliothek oder OPC-UA für den Zugriff durch Drittanbieter) |
| EtherCAT | Ethernet | Ultraschnelle Kommunikation für die Bewegungssteuerung (Beckhoff) |
Verbindung zur Cloud über Eziwan
SPSen verfügen in der Regel nicht über eine native Cloud-Anbindung. Die Verbindung erfolgt über ein industrielles Gateway wie das Eziwan-Gateway, das als Brücke zwischen dem OT-Netzwerk (SPS) und der Cloud fungiert.
Die drei wichtigsten Methoden sind:
- Modbus RTU über RS-485: Verkabelung A+/B- zwischen dem Gateway und dem seriellen Anschluss der SPS. Ideal für ältere SPSen oder Geräte ohne Ethernet.
- Modbus TCP über Ethernet: Direkte Netzwerkverbindung über den Ethernet-Anschluss der SPS. Standardport 502. Die SPS und das Gateway müssen sich im selben Subnetz befinden.
- OPC-UA: Verbindung zum integrierten OPC-UA-Server in modernen SPSen (Siemens S7-1500, Schneider M580, Beckhoff). Bietet ein Höchstmaß an Interoperabilität und Sicherheit (Authentifizierung, Zertifikate).
Sobald die Verbindung hergestellt ist, überträgt das Eziwan-Gateway die Daten in Echtzeit an die Cloud und eröffnet einen verschlüsselten VPN-Tunnel für den sicheren Fernzugriff.
Unterschied zwischen SPS und RTU
Auch wenn die beiden Begriffe manchmal synonym verwendet werden, gibt es doch wesentliche Unterschiede:
- Eine SPS ist für die lokale Steuerung einer Maschine oder einer Produktionslinie ausgelegt und zeichnet sich durch schnelle Abtastzyklen und eine komplexe Ablauflogik aus.
- Eine RTU (Remote Terminal Unit) ist für die Fernüberwachung von entfernten Standorten optimiert und zeichnet sich durch geringen Stromverbrauch, Fernkommunikation (4G, Funk) sowie Überwachungsprotokolle wie DNP3 oder IEC 60870 aus.
Weitere Informationen finden Sie in der vollständigen Definition von RTU.
Programmiersprachen nach IEC 61131-3
Die Norm IEC 61131-3 standardisiert fünf Programmiersprachen für SPSen, die von allen modernen Steuerungen unterstützt werden (Siemens TIA Portal, Schneider Unity Pro, Rockwell Studio 5000, Codesys).
| Sprache | Abk. | Typ | Geeignet für | Anwendungsbeispiel |
|---|---|---|---|---|
| Ladder-Diagramm | LD | Grafik | Schaltlogik (Kontakte/Spulen), Elektriker | Sicherheitsabläufe, Verriegelungen |
| Funktionsblockdiagramm | FBD | Grafik | Regelung, Funktionsblöcke | PID, Zähler, Zeitverzögerungen |
| Strukturierter Text | ST | Text | Komplexe Berechnungen, Algorithmen | Rezeptverarbeitung, Kommunikation |
| Anweisungsliste | IL | Text | Low-Level (veraltet, IEC 61131-3, Ausgabe 3) | Altbestände, ältere Anlagen |
| Sequential Function Chart | SFC | Grafik | Schrittweise Prozessabläufe | Fließbandanlagen, Werkzeugmaschinen |
Ein SPS-Projekt kombiniert häufig mehrere Sprachen: SFC für die Abfolge der Schritte, FBD für die Regelung kontinuierlicher Prozesse und ST für Berechnungen oder die Kommunikation mit externen Geräten.
Sicherheits-SPS – Sicherheitssteuerungen (SIL)
Eine Safety-SPS ist eine SPS, die gemäß IEC 61508 und deren industrieller Anwendung IEC 61511 für sicherheitsgerichtete Funktionen (SIS) zertifiziert ist. Das Sicherheitsniveau wird in SIL (Safety Integrity Level) von SIL 1 bis SIL 4 angegeben.
| SIL | Ausfallwahrscheinlichkeit (PFD) | Anwendungsbeispiele |
|---|---|---|
| SIL 1 | 10⁻² bis 10⁻¹ | Einfache Prozessabschaltung, Anwesenheitserkennung |
| SIL 2 | 10⁻³ bis 10⁻² | Notabschaltung (ESD), Brennerschutz |
| SIL 3 | 10⁻⁴ bis 10⁻³ | Schutz von chemischen Reaktoren, Rohrleitungen |
Sicherheits-SPSen nutzen redundante Architekturen (1oo2, 2oo3) mit Online-Diagnose. Wichtigste Hersteller: Siemens S7-1500F (TÜV SIL 3), Schneider Modicon M580 Safety, Rockwell GuardLogix, Pilz PSS4000.
Eine Sicherheits-SPS arbeitet häufig parallel zu einer Standard-SPS: Die Standard-SPS steuert den normalen Prozess, während die Sicherheits-SPS die Sicherheitsbedingungen überwacht und die ESD auslöst, sobald ein Grenzwert überschritten wird. Beide können mit demselben Eziwan-Gateway verbunden werden, wobei unterschiedliche Zugriffsrechte gelten (nur Lesezugriff auf die Sicherheits-SPS, Lese-/Schreibzugriff auf die Standard-SPS).
Soft-PLC – Software-SPS auf einem Industrie-PC
Eine Soft-SPS (oder PC-basierte Automatisierung) realisiert die Funktionen einer SPS auf einem handelsüblichen Industrie-PC ohne proprietäre Hardware. Vorteil: Rechenleistung des PCs, Flexibilität durch Linux/Windows, native Netzwerkkonnektivität.
Die Laufzeitumgebung Codesys (3S-Smart Software Solutions) ist der europäische Standard für Soft-SPS. Zahlreiche OEMs bieten sie unter ihrem eigenen Markennamen an: Beckhoff TwinCAT, Wago, Bosch Rexroth ctrlX, Phoenix Contact PLCnext.
Das Eziwan-Gateway kann Daten aus einer Codesys-Laufzeitumgebung über OPC-UA (nativer Codesys-OPC-UA-Server) oder über das Codesys-Gateway-Protokoll auslesen – siehe Anleitung zur SCADA-Integration über 4G.
Weiterführende Ressourcen
- Eine SPS an die Eziwan-Plattform anschließen
- Anleitung zu RS-485 und Modbus
- Fernzugriff auf eine SPS
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen einer SPS und einer RTU?
Die SPS eignet sich hervorragend für die lokale Echtzeitsteuerung (Logik, Maschinensicherheit); die RTU ist für die Fernverwaltung von entfernten Standorten optimiert (Fernkommunikationsprotokolle, Autonomie, Protokollierung). Moderne Produktreihen nähern sich einander an, sodass eine kommunikationsfähige SPS häufig beide Funktionen übernimmt.
Was sind die wichtigsten Marken für Steuerungen?
Siemens (S7), Schneider Electric (Modicon M221/M340/M580), Rockwell Allen-Bradley (CompactLogix, ControlLogix), Beckhoff (TwinCAT), WAGO, ABB, Omron und Mitsubishi decken den Großteil der in Europa installierten Anlagen ab.
Wie verbindet man eine SPS mit der Cloud?
Über ein industrielles Gateway, das die Variablen auf der Maschinenseite über Modbus TCP, S7 oder OPC-UA ausliest und sie anschließend über einen 4G-VPN- oder Ethernet-Tunnel per MQTT an die Cloud-Plattform überträgt – ohne das SPS-Programm zu ändern.
Ist ein sicherer Fernzugriff auf eine SPS möglich?
Ja, über einen industriellen Fernzugriff: verschlüsselter ausgehender Tunnel, MFA-Authentifizierung, auf das Zielgerät beschränkter Zugriff und protokollierte Sitzung. Die Hersteller-Konsolen (TIA Portal, EcoStruxure) funktionieren dann wie vor Ort.
Weiterführende Ressourcen
- Fernzugriff auf industrielle Steuerungen – die Lösung für sicheren Zugriff
- Eine Steuerung mit der Cloud verbinden – alle Marken
- SPS vs. RTU – der detaillierte Vergleich
- Anleitung: Eine SPS verbinden – Schritt-für-Schritt-Anleitung für Modbus / OPC-UA
- SPS vs. RTU für die Fernüberwachung – der Hintergrundartikel