Grundlagen der wichtigsten Speichertechnologien in der Fabrikautomation

Jede moderne speicherprogrammierbare Steuerung nutzt Halbleiterspeicherarchitekturen, um Logik zu verarbeiten und wichtige Daten zu speichern. Siliziumbasierte Speichertechnologien reichen von schnellem flüchtigem RAM bis hin zu nichtflüchtigen Flash-EPROM- und EEPROM-Varianten. Flüchtiger Speicher benötigt eine kontinuierliche Stromversorgung, um Bitzustände zu erhalten, weshalb bei älterer Steuerungshardware Backup-Batterien erforderlich sind. Im Gegensatz dazu ermöglicht die moderne Flash-EPROM-Technologie unbegrenzte Lese- und Überschreibzyklen, ohne dass eine externe Batterie erforderlich ist. Daher hilft das Verständnis der Grundlagen von Halbleiterspeichern Steuerungstechnikern dabei, widerstandsfähigere Systeme für die Fabrikautomation zu entwickeln.

Ladespeicher: Das zentrale Repository für die Programmspeicherung

Der Ladespeicher dient als primärer Speicherort für Anwenderprojektcode, Hardwarekonfigurationen und Symboltabellen, die aus TIA Portal oder STEP 7 heruntergeladen werden. Ältere Siemens-SIMATIC-S7-300-CPUs nutzten einen internen RAM-Ladespeicher, der bei längeren Stromausfällen Daten verlor. Moderne SIMATIC-S7-1200- und S7-1500-Steuerungen verwenden externe SIMATIC Memory Cards (SMCs) auf Flash-Basis. Die CPU kann die Programmlogik nicht ausführen, wenn diese externe Karte nicht im Speicherkartensteckplatz eingesetzt ist. Daher verhindert die richtige Dimensionierung der Ladespeicherkarte Downloadfehler während einer komplexen Anlageninbetriebnahme.

Arbeitsspeicher: Hochgeschwindigkeitsausführung von Programmen

Der Arbeitsspeicher dient als flüchtiger Hochgeschwindigkeitsbereich für die Programmausführung innerhalb der Siemens-CPU-Hardware. Die Steuerung überträgt beim Anlauf automatisch ausführbare Codebausteine und Datenbausteine aus dem Ladespeicher in den Arbeitsspeicher. Ähnlich wie der System-RAM in einem Industrie-PC ermöglicht der Arbeitsspeicher echtzeitfähige, deterministische Zykluszeiten für schnelle industrielle Prozesse. Außerdem können Techniker den Arbeitsspeicher von Siemens-S7-Steuerungen nicht manuell erweitern, wodurch die CPU-Auswahl zu einem entscheidenden Entwurfsschritt wird. Die Auswahl einer CPU mit unzureichendem Arbeitsspeicher begrenzt die Projekterweiterung und verlangsamt die Systemausführung.

Systemspeicher: Verarbeitung von Prozessabbildern und interner Adressierung

Der Systemspeicher weist Peripherieeingängen, Peripherieausgängen, Merkerbits und Diagnosepuffern eigene Speicheradressen zu. Die Tabellen des Prozessabbilds der Eingänge (PAE) und des Prozessabbilds der Ausgänge (PAA) befinden sich innerhalb dieses flüchtigen Systemspeicherbereichs. Die CPU aktualisiert die Prozessabbildtabellen am Anfang und am Ende jedes Zyklus. Darüber hinaus verwaltet der Systemspeicher interne Zeitgeber, Zähler und temporäre lokale Datenbausteine, die von Unterprogrammen verwendet werden. Eine effiziente Zuordnung der Prozessabbilder gewährleistet eine reaktionsschnelle Kommunikation mit Feldgeräten in komplexen Steuerungsnetzwerken.

Remanenter Speicher: Schutz kritischer Abläufe bei Stromausfällen

Der remanente Speicher behält ausgewählte Werte von Datenbausteinen, Merkerbits und Zeitgeberregistern bei unerwarteten Stromunterbrechungen. Steuerungstechniker konfigurieren die Remanenzeinstellungen in TIA Portal, damit Produktionszähler, Sollwerte und Rezepte erhalten bleiben. Siemens-CPUs speichern remanente Daten in nichtflüchtigem NVRAM, ohne wartungsintensive Backup-Batterien zu benötigen. Dadurch können automatisierte Produktionslinien nach der Wiederherstellung der Stromversorgung den Betrieb reibungslos fortsetzen, ohne wichtige Prozessparameter zu verlieren.

Einblick des Autors: Strategien zur Speicheroptimierung in TIA Portal

In meinen 15 Jahren als Projektingenieur im Einsatz in Kraftwerken und Produktionsanlagen hat sich eine ineffiziente Speicherzuweisung immer wieder als eine der Hauptursachen für CPU-Leistungsengpässe erwiesen. Techniker überlasten den Arbeitsspeicher häufig, indem sie übergroße Datenbausteine erstellen oder nicht verwendete Diagnosebausteine aktiviert lassen. Die Verwendung optimierter Datenbausteinstrukturen in Siemens-S7-1500-CPUs reduziert den Arbeitsspeicherbedarf erheblich. Außerdem verhindert die Auswahl von SMC-Karten mit hoher Kapazität bereits in der Entwurfsphase kostspielige Nachrüstungen bei zukünftigen Anlagenerweiterungen.

Praktisches Anwendungsszenario: Rezepturhaltung in einer automatisierten Dosieranlage

Stellen Sie sich eine chemische Produktionsanlage vor, in der eine SIMATIC-S7-1500-Steuerung das Mischen von Flüssigkeiten aus mehreren Komponenten übernimmt. Die Sollwerte der Hauptrezepturen befinden sich in remanenten Datenbausteinen innerhalb der CPU-Speicherarchitektur. Bei einem unerwarteten Stromausfall der Anlage bewahrt die CPU aktuelle Chargenzähler, Ventilstellungen und Mischtemperaturen im remanenten NVRAM. Sobald die Netzspannung wieder verfügbar ist, liest die SPS das Prozessabbild aus dem Systemspeicher und setzt den Chargenzyklus sofort fort, ohne die chemischen Chargen zu verderben.

Über den Autor

Li Ming ist Senior-Spezialist für industrielle Automation und verfügt über mehr als 15 Jahre internationale Erfahrung in der Entwicklung, Inbetriebnahme und Fehlersuche von SPS-, DCS-, TSI- und Stromschutzarchitekturen. Er ist auf Siemens-SIMATIC-Ökosysteme, hochverfügbare Steuerungsnetzwerke und die anlagenweite digitale Integration in der Schwerindustrie spezialisiert. Regelmäßig verfasst er technische Leitfäden und Analysen von Systemarchitekturen für internationale Fachpublikationen der industriellen Technologie.