Steuerungen Die wichtigsten Auswahlkriterien für SPS

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Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist die Hauptkomponente eines Automatisierungssystems. Bei ihrer Auswahl gibt es sowohl technologische als auch wirtschaftliche Kriterien zu berücksichtigen. Wir stellen Ihnen die wichtigsten vor.

Die SPS ist eindeutig die wichtigste Komponente eines Automatisierungssystems – ganz gleich, in welcher Hard- und Software-Ausprägung sie angeboten wird. Die Zentraleinheit einer SPS wiederum ist das Herz und Hirn eines Automatisierungssystems. Hier werden:

• die technologischen Funktionen gesteuert,

• die Regelungsprozesse bearbeitet,

• sämtliche steuerungstechnische Aufgaben sowie

• zahlreiche begleitende Aufgaben wie z.B. Kommunikations- und HMI-Aufgaben realisiert.

Versagt die SPS als zentrales Element des Automatisierungssystems, steht die gesamte Produktionsanlage. Das gilt auch in einem modular strukturierten System mit mehreren dezentralen Steuerungen – wenn ein Teilsystem ausfällt, ist zumeist ein Produktionsstillstand unausweichlich. Dieser Bedeutung muss sich der Automatisierungsingenieur stets bewusst sein und deren Auswahl und Programmierung besonders sorgfältig durchführen.

Bildergalerie

Typische Bauarten von SPS

Um möglichst viele und unterschiedliche Konfigurationen eines Automatisierungssystems abdecken zu können, werden Steuerungs-CPUs von den Herstellern in unterschiedlichen Bauformen angeboten. Folgende CPU-Bauarten sind verbreitet:

• Kompaktsteuerung (z.B. Siemens Logo) – Kleinste und kleine Automatisierungsaufgaben im untersten Preissegment

• Modulare Steuerung (CPU, Stromversorgung, I/O-Module, Kommunikation usw.) – Verbreitetste Bauform und nahezu für jeden Anwendungsfall geeignet

• Embedded Controller (Kombination aus HMI und SPS auf einer Hardware) – Für Anwendungsfälle mit verhältnismässig hohem technologisch bedingten HMI-Anteil des Anwenderprogramms

• Slot-SPS (z.B. Einsteckkarte in einen PC oder Motion Controller) – Verwendung ähnlich einem Embedded Controller, jedoch liegt der Fokus noch stärker auf Datenverarbeitungs-, HMI- oder Antriebsfunktionalitäten

• Soft-SPS (z.B. virtuelle Steuerung in einem Office- oder Industrie-PC) – Die komplette Steuerungsfunktionalität wird in einer PC-Applikation realisiert. Damit unterliegen die Eigenschaften einer Steuerungs-CPU denen eines PCs und es müssen alle CPU-Besonderheiten applikativ und zum Teil auch eigenständig implementiert werden, sofern diese für die technologische Aufgabe von Bedeutung sind. Zu beachten sind ausserdem das Verhalten bei einem Absturz des PC-Betriebssystems und natürlich die geforderte Echtzeitfähigkeit.

• Sonderbauformen (z.B. Geräteplatinen, intelligente I/O-Module) – Steuerungs-CPUs können in Feldgeräten, eigenständigen Maschinen- und Anlagenmodulen und vor allem in kompakter Gerätetechnik, wie z.B. Druckern, Waschmaschinen oder Steuergeräten für Verbrennungsmotoren integriert sein. Sie können aber auch ganz speziell und mit allen übrigen Steuerungskomponenten gemeinsam auf einer Leiterplatte oder einem FPGA-Chip (Field Programmable Gate Array) untergebracht sein.

1. Technologische Kriterien bei der Auswahl einer SPS

Eine SPS hat in erster Linie die Aufgabe, ein Produktionssystem in Echtzeit zu steuern und Regelungsprozesse in höchster Güte zu erledigen. Daraus ergeben sich grundsätzliche Unterschiede in der Technologie der Programmabarbeitung, was wiederum von den einzelnen Herstellern differenziert ausgeführt wird. Da die verschiedenen Systemtechnologien nicht für alle Automatisierungsaufgaben gleichermassen geeignet sind, liegt es nahe, die Komponentenauswahl mit dem Blick auf den zu automatisierenden technologischen Prozess zu beginnen.

– Basisanforderungen

Die wesentlichen Anforderungen für die Auswahl der SPS werden bereits beim Erstellen des Lastenhefts ermittelt und fixiert. An dieser Stelle erfolgt eine kurze Zusammenfassung der für die Auswahl der CPU-relevanten und wesentlichsten Aspekte.

Mit der Auswahl der CPU erfolgt zwangsläufig die Entscheidung für ein bestimmtes Automatisierungssystem und zumeist für einen bestimmten Hersteller. Daher müssen an dieser Stelle die technologischen Kriterien auch Elemente des gesamten Automatisierungssystems enthalten:

• Technologische Aufgabe – In den meisten Prozessen muss die Steuerung vielfältige Aufgaben erfüllen. Dazu gehören das Steuern und Regeln mit entsprechender Güte, das Erfassen und Speichern von Prozessdaten sowie die Beobachtung und Überwachung des gesamten Prozesses bis hin zur Kommunikation mit anderen Systemen.

• Dynamische Anforderungen – Um den Anforderungen dynamischer Prozesse zu entsprechen, ist es erforderlich, deren Quantität und Qualität zu analysieren und eine CPU mit entsprechendem Echtzeitverhalten auszuwählen.

• Systemarchitektur – Die konstruktive Architektur des Produktionssystems bestimmt im Wesentlichen die des Automatisierungssystems. Für kompakte, kleinere Verarbeitungsmaschinen mit wenigen I/O-Punkten mag eine Kompaktsteuerung ausreichen. Eine in ihren Abmessungen gleich grosse Maschine kann aber auch sehr komplex sein, hochdynamisch arbeiten und in vielen Varianten angeboten werden; der Hersteller wird daher eventuell über eine Modularisierung nachdenken, die von der CPU beherrscht werden muss.

• Datenumfang und -handling – Es spielt in einigen Applikationen eine entscheidende Rolle, wie eine CPU relevante Daten erfassen, verarbeiten, speichern und kommunizieren kann. Zudem ist die zu erwartende Menge an zu speichernden Daten massgeblich für die Speicherausstattung der CPU.

• Sicherheit – Die CPU muss selbst oder in Kombination mit weiteren Komponenten in der Lage sein, die im Lastenheft genannten Sicherheitsanforderungen vollständig zu erfüllen.

• Kommunikation – Die CPU muss alle erforderlichen Kommunikationsaufgaben beherrschen. Für besonders anspruchsvolle Aufgaben kann sie auch von einem Industrie-PC unterstützt werden.

• Diagnose – Neben der Zuverlässigkeit eines Automatisierungssystems spielen die Diagnosemöglichkeiten und deren Effektivität eine wichtige Rolle – schliesslich entscheiden diese Eigenschaften über Dauer und Kosten eines unerwarteten Produktionsstillstandes.

– das CPU-Betriebssystem

Wie jeder PC benötigt auch die SPS-CPU ein Betriebssystem (engl.: Operating System, OS). Da in Steuerungen grundsätzlich Echtzeitanforderungen dominieren, arbeiten die Zentraleinheiten mit einem Echtzeit-Betriebssystem (engl.: Real-Time Operating System, RTOS). Dieses bildet eine Abstraktionsschicht zwischen den Anwenderprogrammen (engl.: Application Software, Automatisierungssystem) einerseits und der Hardware andererseits (siehe Bild).

Das bietet den Vorteil, dass einerseits beide Seiten eigene Lebenszyklen durchlaufen können und bei vielen Systemen die Anwendersoftware auf unterschiedlichen Hardware-Plattformen mit den gleichen Echtzeiteigenschaften lauffähig ist. Das RTOS stellt dazu entsprechende Dienste für die Kommunikation mit I/Os und diversen Interfaces zur Verfügung, erledigt das Speichermanagement, sorgt für die zyklische Abarbeitung der Anwenderprogramme und es steuert bzw. überwacht das Zeitmanagement.

Laufzeitsystem meist an die Hardware gebunden

Mit der Auswahl eines bestimmten Automatisierungssystems nach den bisher genannten Kriterien besteht nur noch sehr eingeschränkte bis gar keine Wahlmöglichkeit für das RTOS, und speziell für den Teil Laufzeitsystem gilt: Für viele Systemanbieter gehört dessen Entwicklung zu den Kernkompetenzen und somit ist beides untrennbar an deren Hardware gebunden. Andererseits bieten Softwarehersteller und Open-Source-Plattformen unabhängige Lösungen an, die für beliebige Hardware konfiguriert werden können.

Mit Letzterem sind Steuerungshersteller in der Lage, sich auf die Hardware-Entwicklung zu spezialisieren, und bieten den Kunden zugleich eine freie Engineering-Plattform an, mit der sie auch systemübergreifend arbeiten können. So können Anwenderprogramme einmal entwickelt und auf Automatisierungssysteme unterschiedlicher Anbieter portiert werden. Dieses Konzept ist für Produktionssysteme interessant, deren Hersteller sich häufig mit Lastenheften konfrontiert sehen, in denen bestimmte Automatisierungssysteme vorgeschrieben werden.

Häufig Kompromisse erforderlich

Was einfach klingt, ist es in der Praxis leider nicht: Das Zusammenspiel von RTOS und Hardware erzwingt auf beiden Seiten Kompromisse. So müssen das Betriebssystem und dessen Konfigurationsmöglichkeiten so gestaltet werden, dass sie mit unterschiedlicher Hardware vieler Hersteller gleichermassen zurechtkommen, was zu einer gewissen Standard-Konfigurationsschnittstelle führt. In der Folge müssen sich Innovationen auf beiden Seiten stets an diesen Standard anpassen, was deren Leistungs- und/oder Innovationsfähigkeit zwangsläufig einschränkt. Auch betreffen Änderungen an dieser Schnittstelle immer alle Kunden, so dass es ein einzelner Änderungswunsch schwer hat, sich durchzusetzen.

In diesem Punkt sind Hersteller von integrierten Automatisierungssystemen im Vorteil, denn sie haben beide Seiten im Griff. Innovationen –ganz gleich, ob es sich um neue Funktionen im RTOS oder um weiterentwickelte Hardware handelt – können ganz im eigenen Firmeninteresse erfolgen. Des Weiteren hat der Anwender im Gegensatz zur offenen Alternative bei Fragen und Problemen immer den gleichen Ansprechpartner, was in der Praxis stets von Vorteil ist.

Nachteilig ist, dass die Entscheidung für ein integriertes System eine starke Herstellerbindung mit sich bringt, denn für dieses System entwickelte Software kann oft gar nicht oder nur eingeschränkt auf andere Plattformen portiert werden. Ist der Anwender mit häufig wechselnden Automatisierungsplattformen konfrontiert, kann das nachteilig sein. Auch ist der Hersteller des Produktionssystems vom wirtschaftlichen Erfolg des Lieferanten in hohem Masse abhängig. Es ist somit erforderlich, in diesem Fall die wirtschaftlichen Aspekte im Auswahlverfahren deutlich intensiver zu berücksichtigen.

– Arbeitsweise

Aktuelle Echtzeit-Betriebs- und Laufzeitsysteme arbeiten zumeist als Multitasksystem. Darin werden die einzelnen Hintergrundaufgaben, wie z.B. die Ressourcenverwaltung, die Bedienung der Interfaces sowie das Zeitmanagement erledigt. Der Anwendungsprogrammierer wird sich mit diesen Aufgaben i.d.R. weniger befassen und sich auf erforderliche Parametrierungen beschränken wollen. Sehr wohl interessiert aber, wie bestimmte Anwenderprogramme auf Ereignisse reagieren oder in welcher Zykluszeit und mit welcher Genauigkeit Regelungsprozesse arbeiten sollen. Aus dieser Perspektive existieren je nach Ausprägung des RTOS Unterschiede, die bei der Komponentenauswahl zu berücksichtigen sind und die nachfolgend genannt werden:

• Sequenzielle Programmbearbeitung – Diese Art der Bearbeitung ist typisch für die Anfänge der SPS-Technik, lässt sich aber auch heute noch bei einfachen Systemen vorfinden. Kennzeichnend ist die lineare Bearbeitung einzelner Anweisungen in einem Zyklus, wobei es unerheblich ist, ob dieser Ablauf nach dem letzten Befehl und den RTOS-Routinen unmittelbar, zeit- oder ereignisgesteuert neu gestartet wird

• Zyklische Programmbearbeitung – Eine Grundregel der Software-Entwicklung besteht darin, das Anwendungsprogramm funktionsorientiert zu strukturieren und in kleinere und zugleich übersichtliche Teilprogramme zu gliedern. Dadurch entstehen übersichtliche, weniger fehleranfällige und leichter wartbare Programmstrukturen, was insbesondere für die Automatisierung von Produktionssystemen unverzichtbar ist. Dieses Prinzip ist in den meisten Systemen umsetzbar, wird jedoch auf unterschiedliche Weise unterstützt. Eine Variante ist die grundsätzlich zyklische Bearbeitung, wobei zeitkritische und/oder ereignisgesteuerte Routinen in den regulären Bearbeitungszyklus eingebettet werden (siehe Bildergalerie).
  Diese Arbeitsweise ähnelt prinzipiell der sequenziellen Bearbeitung, jedoch mit dem Unterschied, dass nicht einzelne Anweisungen, sondern komplette (Teil-) Programme in einem kontinuierlichen zyklischen Betrieb abgearbeitet werden und durch Ereignisse unterbrechbar sind. Das können zeitgesteuerte Routinen genauso sein wie Reaktionen auf dedizierte Eingangssignale.

• Multitasking von Anwenderprogrammen – Diese Variante ist besonders vorteilhaft, wenn für jede einzelne oder Gruppen von Tasks eigene Zykluszeiten parametriert werden können. Im Laufzeitsystem Automation Runtime werden beispielsweise sogenannte Taskklassen genutzt, deren Zykluszeit einzeln konfiguriert werden kann und innerhalb derer auch das I/O-Abbild konsistent ist (siehe Bildergalerie).

• I/O-Daten – Das Einlesen der Eingangs- und das Schreiben der Ausgangssignale gehört zu den Kernaufgaben des Echtzeit-Betriebssystems. Für den Programmierer ist es wichtig, sowohl die I/O-Behandlung als auch I/O-Module und -kanäle bei Bedarf parametrieren zu können. Ausserdem erleichtert ein konsistentes Datenabbild innerhalb eines Zyklus besonders im Multitasking-Betrieb die Programmierung (siehe Bildergalerie).

– Checkliste: Technologie der Zentraleinheit

• Technologische Aufgabe: Eignung zum Steuern, Regeln, Erfassen, Beobachten und Überwachen des Prozesses

• Dynamische Anforderungen: Echtzeitverhalten, Performance

• Systemarchitektur: Grundsätzlicher Aufbau, Modularisierung

• Datenhandling: Rezepte, Alarme, Audittrail, Benutzer

• Sicherheit: Safety- und Security-Anforderungen

• Kommunikation: Feldbus, Einbindung in Netzwerke

• Diagnose: Möglichkeiten der Vor-Ort- und Ferndiagnose

• Betriebs- und Laufzeitsystem: Architektur, Integration, Arbeitsweise

• I/O-Datenbeschaffung: Konfigurierbarkeit, Konsistenz

2. Wirtschaftliche Kriterien bei der Auswahl einer SPS

Mit der Entscheidung für eine bestimmte Steuerung entscheidet man sich meistens auch für das dazugehörige Engineering-Werkzeug. Damit begibt sich der Anwender in Abhängigkeit von einem bestimmten Hersteller. Insofern muss die Auswahl der Schlüsselkomponenten Steuerung und CPU nach wirtschaftlichen Kriterien besonders gründlich erfolgen. In diesem Zusammenhang sind folgende Faktoren von Bedeutung:

• Lieferantenbewertung – Die genaue Bewertung der Lieferanten ist eine der Hauptaufgaben einer Einkaufsabteilung. Wesentliche Aspekte sind u.a. die wirtschaftliche Stabilität, Liefertreue, die Art und Weise der Qualitätssicherung oder die Betreuungs- und Servicequalität.

• Engineering-Aufwand – Hier bestimmt die Software und der mit ihr verbundene Aufwand die Komponentenauswahl: von der Beschaffung des Programmierwerkzeuges über Lizenzkosten bis hin zu erforderlichen Schulungen.

• Wartungsaufwand – Im Wesentlichen sollte eine CPU wartungsfrei sein.

• Zuverlässigkeit – Fällt die CPU aus, steht das Produktionssystem – das bedeutet höchste Servicebereitschaft sowohl beim Hersteller als auch beim Betreiber. Dazu gehört eine entsprechende Ersatzteilhaltung entweder im eigenen Werk, in dezentralen Servicezentren oder direkt beim Betreiber.

• Diagnose und Fernwartung – Wie und mit welchen Mitteln eine Diagnose bzw. Wartung erfolgen kann, wird mit der Technologie der CPU entschieden. Besonders die Möglichkeit der Fernwartung und -diagnose spart in allen Servicefällen viel Zeit und unnötige Kosten.

– Checkliste: Wirtschaftlichkeit der Zentraleinheit

• Beschaffung: Nettopreis, Konditionen, Lieferantenbewertung, Gewährleistung, Vertragsgestaltung

• Lieferantenbewertung: Wirtschaftliche Stabilität, Referenzen

• Engineering-Aufwand: Zeit, Schulungsbedarf, Initialkosten, Lizenzen

• Montageaufwand: Zeit, Hilfsmaterial, Spezialwerkzeuge, Spezialisten

• Inbetriebnahme-Aufwand: Kalibrierung, automatisierte Verfahren

• Wartungsaufwand: Austausch, Verschleiss, Austauschintervalle

• Zuverlässigkeit: Ausfallwahrscheinlichkeit und -konsequenzen

• Wartung und Diagnose: Zusatzgeräte, Systemintegration, Fernzugriff

• Verfügbarkeit zeitlich und örtlich: Lieferzeit, weltweite Lieferung, Eilbeschaffung

• Austauschbarkeit: Ersatz durch andere Typen / Hersteller

• Exportbedingungen: Exportzertifikate, Embargoauflagen (Dual Use)

* Prof. Dr.-Ing. Thomas Schmertosch arbeitet seit 2014 an der HTWK Leipzig als Honorarprofessor auf dem Fachgebiet «Komponenten der Automatisierung»

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