SPS — Speicherprogrammierbare Steuerungen
Das Gehirn der diskreten und Fertigungsautomatisierung. Deterministischer Zyklus, IEC-61131-3-Sprachen, Redundanz, Fieldbus- und OPC-UA-Integration. Wichtige Hersteller, Architekturen und 2026-Trends — TSN, Edge, Security-by-Design.
Grundprinzipien
Erfunden von Dick Morley (Modicon, 1968) als Ersatz für Relaisanlagen in der Automobilfertigung. 55 Jahre später noch immer der Eckstein der diskreten Automatisierung.
Zyklus
Eingänge lesen → Programm ausführen → Ausgänge schreiben → Selbstdiagnose. Typisch 1–20 ms, µs-deterministisch. Hardware-Watchdog erkennt Endlosschleifen.
Getrennte Speicher
Eingangsabbild (I), Ausgänge (Q), Merker (M), Datenbausteine (DB). Getrennt vom Programmspeicher. Erlaubt Logik auf „eingefrorenen" Werten innerhalb eines Zyklus.
Modulare E/A
Rack oder DIN-Schiene: CPU + Stromversorgung + E/A-Module (digital, analog, schneller Zähler, Kommunikation). Hot-Swap. Dezentrale E/A über PROFINET/EtherCAT.
Industrielle Robustheit
Temperaturbereich −25 °C bis +60 °C, EMV-Festigkeit IEC 61000-6-2, Vibrationen, Industrieumgebung. Typische Lebensdauer 15–25 Jahre.
IEC-61131-3-Sprachen
Die vereinheitlichende Norm von 1993 definiert 5 Sprachen (heute 4 aktiv). Eine moderne SPS mischt Sprachen: KOP für Verriegelungen, ST für Berechnungen, FBS für Regelung, AS für Sequenzen.
| Code | Voller Name | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| LD | Ladder Diagram | Kontaktplan, Schütz-Erbe |
| FBD | Function Block Diagram | Regelung, Signalverarbeitung, kontinuierliche Berechnungen |
| ST | Structured Text | Komplexe Algorithmen, Schleifen, Datenmanipulation |
| SFC | Sequential Function Chart | Schritt-/Transitionsfolgen (Zustandsautomaten) |
| IL | Instruction List | Low-Level, seit IEC 61131-3:2013 veraltet |
Wichtige Hersteller
| Marke | Hauptplattform | Software | Region | Marktanteil |
|---|---|---|---|---|
| Siemens | S7-1500 / S7-1200 | TIA Portal | EU, Asia | ~30 % weltweit |
| Rockwell Automation | ControlLogix / CompactLogix | Studio 5000 | Amériques | ~20 % weltweit |
| Schneider Electric | M340 / M580 / Momentum | EcoStruxure Control Expert | Global | ~10 % |
| Mitsubishi Electric | iQ-R / MELSEC | GX Works3 | Asia, EU | ~10 % (Asien-Marktführer) |
| Beckhoff | CX / TwinCAT 3 | TwinCAT 3 | EU | Nische, EtherCAT |
| Omron | CJ / NX / NJ | Sysmac Studio | Asia, EU | ~5 % |
| B&R (ABB) | X20 / X90 | Automation Studio | EU, Automobil | Nische |
Kommunikationsprotokolle
| Protokoll | Organisation | Ebene | Einsatz |
|---|---|---|---|
| PROFINET | PI | Industrial Ethernet | Siemens De-facto-Standard, deterministisch |
| EtherNet/IP | ODVA | Industrial Ethernet | Rockwell-Standard, CIP |
| EtherCAT | ETG | Industrial Ethernet | Sehr niedrige Latenz (<100 µs), Motion-Control |
| Modbus TCP | Modbus Org | TCP/IP | Einfach, offen, universell — Interoperabilität |
| OPC UA | OPC Foundation | Application | IT/OT-Interop, native Sicherheit, Pub/Sub |
| OPC UA over TSN | OPC + IEEE | L2 + Anwendungsebene | Konvergenz Echtzeit + Offenheit — Zukunft |
Trends 2026
Eingebetteter OPC-UA-Server
Alle neuen SPS (S7-1500, ControlLogix 5380+, M580) integrieren einen nativen OPC-UA-Server.
Time-Sensitive Networking (TSN)
Konvergenz von Standard-Ethernet und garantierter Echtzeit. Erlaubt PROFINET, EtherNet/IP, Video, IT-Daten über dasselbe Kabel.
Edge-Computing in der SPS
Docker-Container, Python, ML-Inferenz direkt auf der SPS-CPU. Vorverarbeitung vor IIoT-Upload.
Security-by-Design
CRA ab Ende 2027 — Herstellerpflicht. Secure Boot, signierte Firmware, signierte Updates, starke Authentifizierung, IEC 62443-4-2.
Normen
- IEC 61131-3 — SPS-Programmiersprachen (KOP, FBS, ST, AS, AWL)
- IEC 61131-9 — IO-Link — Single-Drop-Schnittstelle für Sensoren/Aktoren
- IEC 61499 — Verteilte Funktionsbausteine für verteilte Automatisierung
- IEC 62443-4-2 — Cybersicherheits-Anforderungen für IACS-Komponenten
- IEC 61784-3 — Sicherheitsbusse (PROFIsafe, CIP Safety, FSoE)