Architektur, Technologien und Praxisleitfaden Die SPS im Wandel der Zeit – von der Steuerung bis zur KI-gestützten OT

Forever young. Die Kernaufgabe der SPS ist seit über 50 Jahren die gleiche: sicheres, transparentes Steuern und Regeln in Echtzeit. Heute werden die klassischen Steuerungs-Aufgaben ergänzt mit vernetzter IT, KI-, Edge- und Cloud-Diensten. Dieses Whitepaper beschreibt den Werdegang der SPS, legt eine belastbare Referenzarchitektur dar und vertieft Schlüsselthemen wie Motion-Regelung, Kommunikation, Zeit-Synchronisation, Security und KI-Integration.

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind seit über fünf Jahrzehnten das Herz moderner Maschinen und Anlagen. Von der Ablösung der Relaistechnik über Feldbusse bis hin zu Industrial Ethernet und OPC UA haben sich SPS-basierte Systeme stetig weiterentwickelt, ohne ihren Kernauftrag zu verlieren: das deterministische, sichere sowie transparente Steuern und Regeln in Echtzeit. Heute verschmelzen Steuerungsaufgaben mit vernetzter IT, Edge- und Cloud-Diensten. Zeitdeterministische Ethernet-Technologien, semantische Schnittstellen und sichere Datenflüsse schaffen die Grundlage für Analytik und KI – nicht als Ersatz, sondern als leistungsfähige Ergänzung der bewährten Automatisierung.

1. Einleitung und Zielsetzung

Automatisierung ist das systematische Zusammenspiel aus Messen, Entscheiden und Wirken mit dem Ziel, Prozesse reproduzierbar, sicher und wirtschaftlich zu betreiben. Dieses Dokument führt entlang einer durchgehenden Grundstruktur von der Historie über Architekturprinzipien bis zu konkreten Technologien und betrieblichen Leitlinien. Die Inhalte richten sich an technische Führung, Systemarchitektur, Software und Inbetriebnahme-Teams.

2. Die SPS im Wandel der Zeit – von Relais zu vernetzter Intelligenz

Bis in die frühen Siebzigerjahre dominierten verbindungsprogrammierte Relaissteuerungen. Änderungsaufwände, Wartung und begrenzte Flexibilität setzten natürliche Grenzen. Auf Initiative der Automobilindustrie wurden Mikrocontroller-basierte Steuerungen entwickelt, die den Maschinenablauf als ‘Software-Schaltplan’ abbildeten. Damit war der Kontaktplan geboren, eine an Elektroschaltpläne angelehnte Sprache, die den Umstieg für das damalige Fachpersonal erleichterte. In den Folgejahren ergänzten Funktionsplan, Anweisungsliste, Strukturierter Text und Ablaufsprache das Repertoire. 1994 wurden die fünf Sprachen in der IEC 61131-3 normiert, die 2004 überarbeitet wurde und bis heute den De-facto-Standard markiert.

Parallel wandelte sich der Funktionsumfang der Steuerungen. Neben binären Signalen hielten analoge Sensoren und Aktoren Einzug, Controller-Leistung und E/A liessen sich modular skalieren. Positionierbare Antriebe gewannen an Bedeutung, genormte Schnittstellen zu Schritt- und Servoreglern wurden üblich. In den Neunzigern setzte sich die Dezentralisierung durch: Feldbusse wie Profibus, Interbus, DeviceNet oder CAN reduzierten Verdrahtungsaufwand und brachten Intelligenz näher an den Prozess. Die Vielfalt proprietärer Protokolle wich ab den 2000er Jahren Industrial-Ethernet-Lösungen. Ethernet-basierte Systeme ermöglichten höhere Bandbreiten, bessere Diagnose und insbesondere eine IP-basierte, herstellerübergreifende Integration. Mit der Unified Architecture von OPC etablierten die Hersteller ab 2009 eine plattform- und sprachunabhängige, sichere Standardschnittstelle für vertikale und horizontale Kommunikation.

Ebenfalls in den Neunzigern wurden Soft-SPSen auf Industrie-PCs interessant: preiswerte Standardhardware, integrierte Visualisierung und hohe Performance standen Risiken wie kürzerer Hardware-Lebenszyklen und Kompatibilitätsfragen gegenüber. In der Bedien- und Beobachtungstechnik wandelten sich diskret verdrahtete Tastenfelder über alphanumerische Displays zu grafikfähigen HMIs und schliesslich webbasierten Multitouch-Oberflächen. SCADA-Systeme etablierten sich für Visualisierung, Alarmierung, Historisierung und Reporting in grösseren Anlagen. Trotz dieser Entwicklungen gilt bis heute: Die SPS bleibt die Konstante im Maschinenraum. Sie ist komfortabler und vernetzter geworden, verantwortet aber unverändert den präzisen, sicheren Ablauf des Automatisierungsprozesses.

3. Referenzarchitektur – von der Pyramide zur vernetzten OT

Die klassische Automatisierungspyramide beschreibt Feld-, Steuerungs-, Prozessleit-, Betriebsleit- und Unternehmensebene. Dieses Schichtenmodell bleibt nützlich, wird in der Praxis jedoch durch vernetzte Architekturen ergänzt. Daten werden an der Feldebene sauber erfasst und zeitgestempelt, in der Steuerung deterministisch verarbeitet und über semantisch standardisierte Schnittstellen an HMI/SCADA, MES und ERP übergeben. Edge-Knoten konsolidieren Maschinenströme, reichern sie kontextuell an und stellen Inferenz- und Analysefunktionen bereit. Harte Echtzeitanforderungen bleiben in klar abgegrenzten Takt-Domänen, während Analytik, Reporting und KI ausserhalb der Safety-kritischen Schleifen wirken.

4. Steuerungstechnik im Detail – SPS, IPC und Embedded

Kern einer SPS ist die CPU mit Programmspeicher, Peripheriebus und Echtzeitbetrieb. Ein Zyklus umfasst das konsistente Einlesen, die Abarbeitung der Anwenderlogik, Kommunikations- und Diagnoseaufgaben sowie das Schreiben der Ausgänge. Priorisierte Tasks behandeln schnelle Ereignisse deterministisch. Modulare Systeme erlauben den Ausbau mit digitalen und analogen E/A, schnellen Zählern, PWM, Temperatur- und Energiemodulen, Sicherheits- und Motion-Karten. Kompakte Steuerungen integrieren diese Funktionen in einem Gerät für kleinere Applikationen. Soft-SPSen und Embedded Controller bilden Varianten für IPC basierte oder stark optimierte Systeme, sofern der Echtzeitpfad sauber getrennt und überwacht ist.

In der Fertigungsautomation dominieren harte Echtzeitanforderungen. Typische Reaktionszeiten liegen im zweistelligen Mikrosekunden- bis niedrigen Millisekundenbereich, Programmzyklen im Bereich von Zehntel- bis wenigen Millisekunden. Kanalzahlen bewegen sich häufig bis einige Hundert. In der Prozessautomation stehen hohe Kanalzahlen, Verfügbarkeit und Batch-/kontinuierliche Abläufe im Vordergrund, während Zykluszeiten dreistellig bis tausend Millisekunden erreichen können.

5. Programmierung nach IEC 61131 3 – das passende Werkzeug für die Aufgabe

Grafische Sprachen wie Kontaktplan und Funktionsplan sind bestens für binäre Verknüpfungen und übersichtliche Funktionslogik. Die Ablaufsprache (SFC) beschreibt sequenzielle Prozesse klar und unterstützt Diagnose und Schrittketten. Strukturierter Text bietet Ausdrucksstärke für Algorithmen, Datenstrukturen und Wiederverwendung. Die Anweisungsliste hat heute eher historischen Charakter, bleibt jedoch in manchen Umfeldern relevant. In der Praxis entsteht robuste Software durch eine klar definierte Architektur mit modularen Funktionsbausteinen, ein sauberes Tasking-Konzept, klare Schnittstellen, durchgängige Diagnosepunkte und Tests von der Simulation bis zur Inbetriebnahme.

6. Visualisierung und Leittechnik – von Textdisplay zu Web-HMI und SCADA

Moderne HMIs bieten plattformunabhängige, webbasierte Bedienoberflächen mit konsistenter Nutzerführung, kontextbezogenen Alarmen, Sprach- und Einheitenumschaltung sowie Rezepturverwaltung. Gute Usability und Safety-by-Design reduzieren Fehlbedienungen und Stillstände messbar. SCADA-Systeme konsolidieren Daten, betreiben Alarm- und Ereignismanagement, pflegen Historian und Trendanalysen und stellen Berichte bereit. Die Integration mit der Steuerung gelingt heute über standardisierte Protokolle und semantische Modelle, was Engineering- und Wartungsaufwand deutlich reduziert.

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