5 Gründe warum Maschinensteuerungen anders sind

Für Anlagen- und Maschinensteuerungen werden sogenannte Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) verwendet. Eine SPS unterscheidet sich in vielen Punkten von einem herkömmlichen PC und das aus gutem Grund. Dieser Artikel zeigt einige Unterschiede zwischen IT (Information Technology) und OT (Operatiopnal Technology) auf.

1. Datenhaltung

Die Ziele einer PC- Applikation können vielfältig sein, beziehen sich aber meist auf die Visualisierung oder den Zugriff von Daten. Bei einer SPS ist das anders. Es gibt schon zu sichernde Daten, zum Beispiel eine sogenannte Rezeptverwaltung, um den entsprechenden Ablauf zu konfigurieren. Außerdem muss der aktuelle Zustand ausfallsicher gespeichert sein, um Beispielsweise nach einem Stromausfall den Betrieb wieder aufzunehmen. Aber alte, historische Daten sind für den klassischen Maschinenbetrieb irrelevant.
Dies ist auch ein Grund, weshalb es lange keine einfachen Lösungen gab, welche die für Condition Monitoring benötigte Datenhaltung möglich machen. Die Standardlösung war per OPC oder OPC-UA Server auf der Steuerung, die Daten für einen PC bereit zu halten welcher diese dann in einer Datenbank archivieren kann. Jedoch gibt es inzwischen Bibliotheken, die es ermöglichen, direkt von der SPS per ODBC (Open Database Connectivity) eine Datenbank anzusprechen.

2. Kommunikationssysteme

Klar, Schnittstellen spielen bei PC-Applikationen auch eine große Rolle. Aber in einer Maschine werden doch andere Protokolle und eine andere, industrietaugliche Hardware, zur Kommunikation eingesetzt. Im Kleinen spielt zunächst der Datenbus zwischen der SPS und deren, per Stecksystem montierbaren, Peripherie eine Rolle. Manchmal wird dieser auch als K-Bus bezeichnet. Häufig handeltes sich hier um einen herstellerspezifischen Bus wie bei WAGO.

Eine wichtige Komponente in Produktionsanlagen sind die Feldbussysteme. Ein Feldbus spannt ein maschineninternes Netzwerk auf. So kann ProfiBus, ProfiNet oder das Beckhoff spezifische EtherCat eingesetzt werden, um verschiedene Steuerungseinheiten der Maschine zu verbinden. Beispielsweise kann die Kommunikation zwischen SPS, NC-Steuerung (Steuerung und Regelung der Servomotoren) und einem I/O-Modul über einen dieser Busse stattfinden. Meist besitzt die SPS in ihrer Grundausstattung schon die entsprechende Schnittstelle und wird dann als Master des Bussystems eingesetzt.

3. Programmiersprachen

Was die Freiheit an der Wahl einer Programmiersprache angeht ist eine SPS eingeschränkt. Es sind generell nur Sprachen verfügbar welche in der Norm EN61131-3 definiert sind. Dabei handelt es sich um 3 grafische Sprachen, im Prinzip Ablaufpläne, welche dann kompiliert werden. Außerdem um eine Assembler-ähnliche Sprache, in der Sprünge möglich sind, und um eine an Hochsprachen angelehnte Sprache. Aber dieser Mangel an Auswahlmöglichkeiten muss nicht schlecht sein. Viele Elektroniker und Mechatroniker lernen diese Sprachen in ihrer Berufsausbildung und so sind viele Spezialisten verfügbar die eine SPS Programmieren können.
Heutzutage gibt es aber auch Produkte, die die strenge Bindung an die Norm um weitere Sprachen erweitern. So führte Beckhoff 2011 mit TwinCat3 eine Echtzeit-Runtime (emulierte SPS) und eine IDE auf Basis von Microsoft Visual Studio ein, mit der außer den fünf Normsprachen, echtzeitfähige C, C und Matlab/Simulink Programme unterstützt werden. Außerdem können C#/.NET Programme verwendet werden, diese jedoch ohne Echtzeitfähigkeit.

4. Sicherheit

Bei einem PC sind meist das einzige Asset die Daten. Wenn man es genau nimmt, kann man noch die PC- Hardware hinzunehmen, welche auch zerstört werden könnte. Alle weiteren Vulnerabilitäten sind im Grunde Ableitungen dieser beiden.
Anders sieht das bei einer SPS aus. Hier geht es um mehr. Eine Fehlfunktion einer Maschine kann direkt physikalischen Schaden anrichten, das produzierte Produkt, die Maschine selbst und sogar Menschenleben gefährden. Der Unterschied zum PC ist damit sehr deutlich, was verstärkte Sicherheit oder offline Maschinen begründet.

5. Lebensdauer

Ein wichtiges Argument für den Einsatz einer SPS ist deren Stabilität. Für Maschinensteuerungen ist es nicht selten, dass diese über 20 Jahre in Betrieb sind. Bezahlt macht sich eine SPS dadurch, dass sie ohne Wartung oder Updates sehr lange und stabil laufen kann. Und wenn doch einmal etwas geändert werden muss, macht sich der Hersteller-Support und die lange Verfügbarkeit der Erweiterungsmodule bezahlt. Dadurch kann die Maschine noch länger laufen, ohne dass ein kostenaufwändiges Retrofit mit Austausch der Steuerung notwendig wird.

Dieser Artikel verdeutlicht, weshalb SPS anstatt PCs verwendet werden um Maschinen zu steuern. Jedoch verschmilzt die klassische SPS mit dem PC immer mehr und die Funktionalität der SPS rückt der eines PCs näher. Dies geschieht nicht zuletzt weil sich die Anforderungen im Zuge mit Industrie 4.0 und mit Technologien wie Condition Monitoring, und Predictive Mainanance ändern. Mehr dazu ist auf unserer Webseite zu finden. Im Zuge dieser Entwicklung gewinnen auch unterstützende Cloudlösungen an Relevanz. Einen Einblick dazu will ich in meinem nächsten Blogbeitrag „Technologien und Cloudlösungen für die SPS im IoT“ liefern.