Verständnis von Steuerungssystemarchitekturen

In der modernen Industrieautomatisierung dominieren drei Haupttypen von Steuerungssystemen die Prozess- und Fertigungsindustrie: Verteilte Steuerungssysteme (DCS), Programmierbare Logiksteuerungen (SPS) und Fernwirkstellen (RTU).
Obwohl sie ähnliche Ziele verfolgen – die Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse – ist jedes System für bestimmte Anwendungen, Umgebungen und Kommunikationsanforderungen optimiert.

Entwicklung und Zweck moderner Steuerungssysteme

Die Ursprünge der DCS- und SPS-Technologie reichen bis in die 1970er Jahre zurück, als Industrien begannen, analoge Instrumente und Relais durch digitale Steuerungssysteme zu ersetzen. DCS wurden zum Standard in Prozessindustrien wie petrochemischen Anlagen und Kraftwerken, während SPS diskrete Fertigungsaufgaben wie Verpackung und Montagelinien übernahmen.
RTUs erweiterten die Automatisierung auf entfernte oder unbeaufsichtigte Standorte wie Ölfelder und Wasserreservoire. Heute koexistieren diese Systeme oft innerhalb hybrider Architekturen, verbunden durch SCADA Plattformen für zentrale Überwachung und Steuerung.

Verteiltes Steuerungssystem (DCS): Prozesszentrierte Automatisierung

Ein DCS konzentriert sich auf kontinuierliche Prozesssteuerung und ist darauf ausgelegt, komplexe, voneinander abhängige Abläufe zu bewältigen. Es steuert Hunderte oder Tausende von analogen Regelkreisen mit Präzision und Beständigkeit.
DCS-Systeme verfügen über Redundanz auf allen Ebenen – von Steuerungen und Stromversorgungen bis hin zu Ein-/Ausgabekarten und Kommunikationsnetzwerken – und gewährleisten so einen unterbrechungsfreien Betrieb in kritischen Umgebungen wie Raffinerien und Chemiewerken.

Die Kommunikation innerhalb eines DCS erfolgt über gleichgestellte Steuerungsnetzwerke, meist unter Verwendung proprietärer, Ethernet-basierter Protokolle. Feldsignale gelangen zunächst an eine Feldanschlusseinheit (FTA) und werden dann über spezielle Kabel zu Ein-/Ausgabekarten weitergeleitet.
Jeder Regelkreis läuft unabhängig mit einer festen Abtastzeit, die je nach Prozessanforderungen oft zwischen 100 und 1000 Millisekunden liegt. Diese deterministische Zeitsteuerung garantiert eine stabile Leistung für Funktionen wie PID-Regelung, Durchflussregelung und dynamische Kompensation.

Das DCS bietet zudem eine einheitliche Entwicklungsumgebung. Sobald ein Tag erstellt ist, steht es für Steuerungslogik, Grafiken, Alarme und Berichte ohne separate Datenbankzuordnung zur Verfügung. Diese einheitliche Datenbankstruktur vereinfacht die Konfiguration, verkürzt die Entwicklungszeit und minimiert mögliche Fehler.
Gängige Feldbusprotokolle im DCS sind FOUNDATION Fieldbus für die Messtechnik und PROFIBUS-DP für die Motorsteuerung, beide werden nativ in den Konfigurationstools des Systems unterstützt.

Programmierbare Logiksteuerung (SPS): Diskrete und hybride Steuerung

Die SPS ist die Grundlage der Fabrikautomatisierung und wurde ursprünglich für diskrete Steuerungsaufgaben wie Ablaufsteuerung, Verriegelungen und Bewegungssteuerung entwickelt. Im Laufe der Zeit haben sich SPS weiterentwickelt, um analoge Ein-/Ausgänge, PID-Regelkreise und industrielle Kommunikationsnetzwerke zu unterstützen und so die Lücke zwischen diskreter und Prozessautomatisierung zu schließen.

Moderne SPS, wie die Siemens S7-1500 und Allen-Bradley ControlLogix, bieten modulare Bauweisen mit CPU-, Ein-/Ausgangs- und Kommunikationsmodulen, die in Rückwänden untergebracht sind. Große SPS können redundante CPUs und Stromversorgungen enthalten, verfügen jedoch meist nicht über redundante Ein-/Ausgänge, es sei denn, sie sind speziell für hochverfügbare Systeme ausgelegt.
Ihr Hauptvorteil liegt in schnellen Abtastzeiten, die eine Echtzeitreaktion in Hochgeschwindigkeitsproduktionsumgebungen ermöglichen. Werden jedoch mehrere PID-Regelkreise hinzugefügt, kann die CPU-Belastung die Abtastleistung verlangsamen.

Die Programmierung und Visualisierung von SPS erfordert üblicherweise getrennte Softwareplattformen. Die Steuerungslogik wird im SPS-Konfigurationstool erstellt, während die Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) unabhängig entwickelt werden. Die Datenverknüpfung erfolgt über OPC-Server, die die Kommunikation zwischen SPS und HMI ermöglichen. Die native OPC-Integration vereinfacht diesen Prozess, während Drittanbietermapping zusätzliche Konfiguration und Prüfung erfordert.

SPS unterstützen häufig Kommunikationsstandards wie PROFIBUS, DeviceNet, Modbus und EtherNet/IP. Auf Geräteebene verbinden Netzwerke wie IO-Link, CompoNet und ASI Sensoren und Aktoren. Jeder Hersteller stellt native Schnittstellenkarten für sein bevorzugtes Protokoll bereit, während für andere Drittanbieteradapter benötigt werden.

Fernwirkstelle (RTU): Automatisierung für entfernte Standorte

Die RTU ist für die Fernüberwachung von Prozessen und Datenerfassung an abgelegenen oder unbeaufsichtigten Orten konzipiert. Ihre Architektur legt Wert auf geringen Stromverbrauch und wird oft durch Solarpanels oder Batterien gespeist, was sie ideal für Fernmeldetechnik macht.
RTUs bilden das Rückgrat von SCADA-Systemen, die es Bedienern in zentralen Leitständen ermöglichen, entfernte Anlagen wie Ölquellen, Wasserreservoire und Rohrleitungen zu überwachen.

RTUs kommunizieren über Funk-, Mobilfunk- oder Satellitennetze, die Unterbrechungen ausgesetzt sein können. Um dem entgegenzuwirken, speichern RTUs Daten lokal und laden sie automatisch hoch, sobald die Verbindung wiederhergestellt ist. Diese „Speichern-und-Weiterleiten“-Funktion sichert die Datenintegrität.
Zur Senkung der Kommunikationskosten verwenden RTUs oft Ausnahmeberichtslogik, die Daten nur bei bedeutenden Prozessänderungen überträgt.

Die Konfiguration erfolgt meist getrennt von SCADA- oder HMI-Software. Wie bei SPS bieten native OPC-Server eine reibungslose Integration, während Drittanbietersysteme manuelle Datenzuordnung erfordern.
Moderne RTUs können über eine HART-Durchleitung verfügen, die eine direkte Kommunikation mit intelligenten Messumformern ohne zusätzliche Multiplexer ermöglicht. Diese Funktion vereinfacht die Einrichtung und senkt die Gesamtkosten.

RTUs werden häufig in der Öl- und Gasfernüberwachung, Wassermanagement und Stromverteilung eingesetzt, wo Zuverlässigkeit, geringer Wartungsaufwand und langfristiger autonomer Betrieb entscheidend sind.

Wesentliche Unterschiede in der Anwendung

Jedes System erfüllt eine bestimmte Rolle in der Industrieautomatisierung.
Ein DCS eignet sich am besten für kontinuierliche, prozessorientierte Industrien, die Präzision und Redundanz erfordern.
Eine SPS ist ideal für diskrete Fertigung, Maschinensteuerung und schnelle Ablaufsteuerungen.
Eine RTU ist besonders geeignet für entfernte, stromsparende Umgebungen, in denen die Kommunikation unterbrochen sein kann und die Steuerungsanforderungen gering sind.

In vielen modernen Anlagen wird eine hybride Steuerungsstrategie eingesetzt. Eine Raffinerie beispielsweise nutzt DCS für die Prozesssteuerung, SPS für die Automatisierung von Paketaggregaten und RTUs für die Fernüberwachung von Lagertanks. Diese Kombination bietet Flexibilität, Widerstandsfähigkeit und zentrale Übersicht durch integrierte SCADA-Systeme.

Fachliche Einblicke: Die Zukunft der industriellen Steuerungssysteme

Die Unterscheidung zwischen DCS, SPS und RTU verwischt zunehmend, da Hersteller überlappende Funktionen hinzufügen. Moderne SPS können komplexe Prozessregelkreise übernehmen, die früher DCS vorbehalten waren, während DCS-Plattformen nun diskrete Logik und flexible Konfiguration unterstützen.
Gleichzeitig werden RTUs intelligenter, mit eingebauten Analysen und Cloud-Anbindung, was vorausschauende Wartung und datenbasierte Entscheidungen ermöglicht.

Im Zeitalter von Industrie 4.0 liegt die Zukunft in vernetzten Systemen, die die Stärken aller drei Plattformen vereinen. Nahtlose Integration, Widerstandsfähigkeit gegen Cyberangriffe und Rechenleistung am Netzwerkrand werden die nächste Generation von Steuerungssystemen prägen.

Anwendungsszenario

Betrachten wir eine moderne Erdölraffinerie. Das DCS steuert die Hauptdestillations- und Crackprozesse. Die SPS verwalten Kompressoren, Pumpen und Sicherheitsverriegelungen. Die RTUs überwachen entfernte Rohrleitungen und Lagertanks und melden Daten über ein SCADA-Netzwerk. Zusammen bilden diese Systeme ein einheitliches Automatisierungsnetzwerk, das Betriebszeit, Sicherheit und Effizienz maximiert.

Wichtige Erkenntnisse

DCS, SPS und RTU decken jeweils unterschiedliche Automatisierungsbedürfnisse ab, ergänzen sich jedoch zunehmend.
DCS bietet Zuverlässigkeit für die Prozesssteuerung, SPS Flexibilität für die Maschinenautomatisierung und RTU Konnektivität für entfernte Anlagen.
Eine strategische Kombination dieser Systeme unterstützt skalierbare, effiziente und zukunftsfähige Industrieanlagen.