Hard, Soft, Slot - SPS-Konzepte im Vergleich

SPS Komplexe Fertigungsprozesse und Produkte sind für Anlagenbauer die Herausforderung bei der Projektierung geeigneter Steuerungssysteme. Deren Eigenschaften verschmelzen zunehmend miteinander, was die Orientierung erschwert. Transparenz ist also gefordert hinsichtlich der Vor- und Nachteile einzelner Technologien und deren Einsatz.

30. März 2007

Die SPS begannen Anfang der 70er-Jahre die bis dahin - mit den Nachteilen großen Platzbedarfs und starrer Steuerungsrealisierung - vorherrschenden verbindungsprogrammierten Schaltkreissysteme abzulösen. Steuerungsaufgaben wurden von da an als Software-Programme umgesetzt, was neben Zeitvorteilen auch bessere Fehlerbehebung, Inbetriebnahme und Flexibilität bedeutete. Anfangs durch eine starkstromnahe Ausführung ausgezeichnet, wurde die SPS rasch weiter entwickelt. Die in der Industrie erforderliche Robustheit, die durch modularen und geschützten Aufbau sowie problemlosen Baugruppenwechsel im Betriebsmodus realisiert wird, spielt noch heute für den Erfolg der SPS eine zentrale Rolle. Ein weiterer Erfolgsgarant ist die sich stets erweiternde Technologiefunktionalität der SPS (Motion- und Robot-Control, Industrial- Ethernet und so weiter) und die objektorientierte Palette von der Einsteiger-Mikro-SPS bis hin zum Hochleistungs-Multiprozessor- System, die es auch als hochverfügbare, redundante und fehlersichere Steuerungen gibt. Die SPS ist heute mehr als nur eine Steuerung, nämlich ein modernes Engineering-Werkzeug, das mit der Integration von Kommunikations- und Informationstechnologien wie Web, E-Mail, SMS, und so weiter sogar Lösungen für weltweite Unternehmensnetze bereitstellt. Die SPS wird damit der steigenden Komplexität der Automatisierungsanlagen gerecht und ist ein Teil dezentralisierter Intelligenz mit Datenschnittstellen bis hin zur modernen Software-Komponenten-Technologie.

Automatisierungsstruktur moderner Unternehmen

Für Unternehmen mit hoher Flexibilität und hohem Organisationsgrad ist die optimale Durchgängigkeit und Verarbeitung von Betriebs- und Prozessdaten im Workflow für die erfolgreiche Automatisierung von größter Bedeutung. Das umfasst alle Bereiche, von untersten Steuerungsebenen bis zu Manufacturing Execution Systems (MES) und wird von modernen Steuerungsgeräten durch Systemoffenheit und Einbindung in Informationsflüsse und übergeordnete Prozess-, Datenverwaltungs- und Managementsysteme erfüllt. Die SPS hat in diesen Automatisierungsstrukturen ihren Platz je nach Steuerungstyp, Gerätebauart und Funktionsumfang. Kleine kompakte SPSen finden eher eine dezentrale, prozessnahe Anwendung (verteilte Intelligenz), während etwa eine Soft-SPS auf einem Industrie-PC - vertikal integriert - mit höheren Steuerungsaufgaben beauftragt sein kann. Die moderne Automatisierungstechnik hat sich gewandelt und entwickelt sich mit zunehmender vertikaler Integration zur Totally Integrated Automation (TIA). So wird heute oftmals nicht nur die klassische Verwendung als Steuerung vorgesehen, immer mehr treten auch kompakte SPS mit speziellerer Aufgabenstellung in Erscheinung.

Moderne SPS-Lösungen

Der Trend zur PC-basierten SPS drängt in den Vordergrund, zusätzlich zu der Entwicklung von Mehrfunktionalität und Verschmelzung der Technologien. Wie bereits erwähnt, werden die SPS entsprechend ihrer Technologie und Funktion unterschiedlich tief im System eingesetzt. Sie übernehmen entweder nur eine Aufgabe - zum Beispiel die Motion-Control- SPS, die in der Feldebene eingesetzt wird - oder sie nehmen zusätzliche Aufgaben wahr, wie eine PC-basierende SPS beispielsweise Planungs- und Office-Anwendungen. Sie ist in der Steuerungshierarchie entsprechend weiter oben angesiedelt. Eine moderne SPS-Lösung kann anhand ihrer Technologie und Funktion und nach ihrem Einbauort aufgeteilt erfolgen:

- die klassische beziehungsweise Hard-SPS im Schaltschrank. Hierzu zählen Mikro-SPS, Kompakt-SPS, modulare Hard-SPS, Panel-SPS, Embedded-SPS und so weiter.

- die SPS in Antriebssystemen. Hierzu gehören NC- oder CNC-SPS, Motion-Control-SPS, Robot- Control-SPS und so weiter.

- die SPS in PC-Systemen. Hierzu zählen Soft- SPS und die Slot-SPS im IPC, dedizierte Systeme wie Embedded-PC, modularer Hutschienen-PC, Panel-PC und so weiter. Auch hier verschwimmen die Grenzen der SPS-Lösungen und sind nicht immer exakt definierbar und abgrenzbar.

SPS-Technologien im Vergleich

Technisch unterscheidet man die SPS nach Ihrem technologischen Konzept. Hauptkriterien sind hierbei die Bauart sowie die Unabhängigkeit von Peripherie und Hardware. Ein klarer Vorteil der klassischen Hard-SPS ist ihre hohe MTBF (Meantime Between Failure). Sie kann bis zehn Jahre betragen, was von anderen Systemen nicht erreicht wird. Bei Sicherheit, Verfügbarkeit, Echtzeitverhalten und Fehlerbewältigung ist die Hard-SPS ungeschlagen. Sie ist besonders robust und wartungsfrei, langlebig und modular problemlos erweiterbar, aber teuer. Sie hat also Vorteile bei kleinen Anlagen, vor allem aber bei Anlagen mit Automatisierungsstrukturen verteilter Intelligenz. Die Hard-SPS ist dort weit verbreitet, wo keine Bedienung und Visualisierung benötigt wird. Die Slot-SPS wird zum einen - in Form einer als PC-Steckkarte realisierten Slot-SPS - als gehäuselose Hard-SPS angesehen, mit dem Unterschied der Schnittstelle zum Programmiergerät und HMI. Die zweite Definition bezeichnet eine Soft-SPS mit eigenem Prozessor und Hardwarebasis. Sie wird als proprietäre oder windowsbasierte Steuerung betrieben, die über integrierte Bus-Interfaces mit Peripheriegeräten kommuniziert. Sie ist trotz selbstständiger Lauffähigkeit stets abhängig der industrietauglichen PC-Hardware im IPC. Autarkie ist durch die eigene Spannungsversorgung gegeben. Beim Ausfall des IPC bleibt jedoch nur die rechnerunabhängige Steuerungsfunktionalität erhalte Der IPC kann außer der bequemen Visualisierung und Bedienung weitere Funktionen und vor allem datenintensive Programme abarbeiten. Weitere Vorteile sind unter anderem die hohe Betriebssicherheit sowie das Fehler- und das Echtzeitverhalten, weswegen die Slot-SPS gerne bei zeit- und lastkritischen, kompakten Anwendungen eingesetzt wird. Generell sind alle PC-basierten SPS-Lösungen Soft-SPS-Systeme. Das SPS-Programm stellt eine Software-Schnittstelle für die realen Einund Ausgänge zur Verfügung, die Weiterleitung der Signale an die Peripherie erfolgt über I/O- oder Bus-Karten, die durch Treiber angesprochen werden. Eine Echtzeitrealisierung wird mit Echtzeitbetriebsystemen erreicht. Die Soft-SPS ist absolut abhängig von ihrer Laufumgebung, dem IPC. Schutz vor Viren, Hackerangriffen, Spyware und so weiter kann der IPC durch die Nutzung eines normalen PC-Betriebsystems nicht bieten. Folgen haben kann auch eine Fehlbedienung durch den Computerbediener. Gewähr auf langfristige Verfügbarkeit und Kompatibilität von (Hardware-)Ersatzteilen gibt es ebenso wenig wie garantierte Softwarekompatibilität bei Updates. Die Soft-SPS im IPC bietet außer der bequemen Visualisierung und Bedienung noch weitere Funktionen und kann vor allem datenintensive Programme abarbeiten. Weitere Vorteile sind die hohe vertikale Integration und die Anbindungsmöglichkeit an ERP-Systeme und Office-Programme - also die Offenheit des Systems, bis hin zu Multimediaeinbindung zum Beispiel von Machine-Vision-Systemen. Die Betriebssicherheit, das Fehler- und das Echtzeitverhalten sind Punkte, die zwar zunehmend verbessert werden, etwa durch spezielle Hardware, die aber an eine Hard-SPS nicht herankommen.

Beurteilung der SPS-Lösungen

Die reine Hard-SPS hat ihre Berechtigung und Vorteile vor allem bei Anlagen mit Automatisierungsstrukturen verteilter, autarker Intelligenz oder bei Anlagen, die datentechnisch keine besonderen Anforderungen an Bedienung und Visualisierung stellen. Die Hard-SPS ist besonders robust, nahezu wartungsfrei, langlebig und modular problemlos erweiterbar. In puncto Sicherheit, Hochverfügbarkeit, Echtzeitverhalten und Fehlerbewältigung ist sie ohne Zweifel wohl die beste Lösung, in den meisten Fällen allerdings auch die teuerste in der Anschaffung. Die Slot-SPS ist in ihren Eigenschaften etwa mit einer kompakten Hard-SPS vergleichbar. Die Funktionalität der reinen Slot-SPS ist sehr beschränkt, es eröffnen sich mit entsprechendem Aufwand jedoch viele zusätzliche Möglichkeiten über die Nutzung des IPC. Daher findet die Soft-SPS meistens Anwendung bei mittleren und kleinen Anlagen, in denen ein IPC von vornherein vorhanden sein muss. In solchen Fällen ist eine Slot-SPS preiswert in der Anschaffung. Ihr Echtzeitverhalten und ihre Zuverlässigkeit sind ebenfalls Pluspunkte, jedoch stark abhängig von der IPC-Umgebung, wo sich der Faktor Fehlerbewältigung negativ auswirkt. Die Soft-SPS kann in Kombination mit verschiedenen weiteren Prozessleit- und Planungsfunktionen fast überall Anwendung finden. Sie ist auf jedem PC und mit vielfältiger Funktionalität einsetzbar. Die Echtzeit-Lauffähigkeit erreicht eine hohe Stabilität, aber abgesehen von der preiswerten Anschaffung auch höhere Folgekosten. Die Sicherheit und Verfügbarkeit sind gut, jedoch stark von aufwendiger und teurer Hardals auch Software abhängig. Bei Nachrüstung oder Ausfall können erhebliche Probleme vor allem bei der Kompatibilität von Hardwarekomponenten auftreten. Die Soft-SPS ist jedoch eindeutig ein Gewinner in Sachen Funktionalität, Flexibilität und Skalierbarkeit, ebenso hinsichtlich der Marktentwicklung, und kann bei nahezu jeder Anlage, ja sogar schon bei größeren Maschinen, eingesetzt werden. Abschließend bleibt festzustellen, dass ehemals klar abgrenzbare Steuerungstechnologien nicht mehr eindeutig voneinander zu unterscheiden sind; SPS-Systeme befinden sich im Umschwung zur PC-basierten Steuerung. Vor Jahren noch als Single-Konzepte angewendete Steuerungen sind kaum mehr zu finden, weil sie stets mit moderneren Erweiterungen der IT-, Kommunikations- und PC-Technik ausgestattet worden sind. Durch Einbindung der Steuerungen in die Prozessleittechnik, Manufacturing Execution Systems (MES) und Enterprise Resource Planning (ERP) strebt die Automatisierungstechnik hin zur TIA. Folglich heißt das, dass sich je nach Komplexität und Leistungsanforderungen der Aufgabenstellung beziehungsweise Automatisierungsanlage, unterschiedliche Steuerungskonzepte und -netzwerke anstreben lassen. Entsprechend unterliegt bei der Projektierung die Entscheidungsverantwortung für eines der Systeme Hard-, Soft- oder Slot-SPS stark der Integration weiterreichender IT-, Kommunikations- und PC-Funktionen, nicht zuletzt auch den Kundenwünschen, bei steigender Anlagengröße auch der Projektierungs- und Engineering- Software.

Mathias Scheiblich

FaktenSPS-Hersteller auf einen Blick

ABB Stotz-Kontakt, Heidelberg; Beckhoff Automation, Verl; Berghof Automationstechnik, Eningen; B& Industrie-Elektronik, A-Eggelsberg; Bosch Rexroth, Lohr; Eckelmann, Wiesbaden; Festo, Esslingen; IBH Softec, Beerfelden; IFM Electronic, Essen; Jetter, Ludwigsburg; Keba, A-Linz; Kuhnke, Malente; KW-Software, Lemgo; Lenze, Aerzen; Mitsubishi Electric Europe, Ratingen; Panasonic Electric Works, Holzkirchen; Parker Hannifin, Offenburg; Rockwell Automation, Haan-Gruiten; Schneider Electric, Ratingen; Sigmatek, A-Lamprechtshausen; Siemens, Nürnberg, Softing, Haar; Spectra Computersysteme, Leinfelden-Echterdingen; Vipa, Herzogenaurach; Wago Kontakttechnik, Minden.

Erschienen in Ausgabe: 02/2007