Einführung in den Speicher von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) in der Industrieautomatisierung

In der Industrieautomatisierung und in Steuerungssystemen spielt die Zuverlässigkeit der Speicherbausteine eine entscheidende Rolle für den dauerhaften Betrieb. Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) nutzt sowohl flüchtige als auch nichtflüchtige Speicherarten, um Programme, Einstellungen und Laufzeitdaten zu speichern. Unter den nichtflüchtigen Speichern zeichnet sich der NOR-Flash-Speicher durch seine Robustheit, schnellen Lesezugriff und lange Datenspeicherung aus – alles wesentliche Merkmale in der Fabrikautomatisierung und in verteilten Steuerungssystemen (DCS).

Was ist NOR-Flash-Speicher?

NOR-Flash-Speicher ist eine Art von nichtflüchtigem Speicher, der gespeicherte Daten auch bei Stromausfall behält. Er verwendet auf Transistorebene eine logische NOR-Gatter-Struktur, bei der jede Speicherzelle parallel an die Bitleitungen angeschlossen ist. Diese Anordnung ermöglicht den direkten Zugriff auf einzelne Speicherzellen und damit schnelle zufällige Lesezugriffe – ein entscheidender Vorteil bei SPS-Firmware und Systemstart.

Jede NOR-Flash-Zelle besteht aus Floating-Gate-MOSFETs (FGMOSFETs), die elektrische Ladung speichern und so binäre Daten darstellen. Aufgrund dieser Bauweise bietet NOR-Speicher eine stabile Datenspeicherung über lange Betriebszeiten, selbst unter rauen Industriebedingungen.

Unterschiede zwischen NOR- und NAND-Flash

Obwohl sowohl NOR als auch NAND nichtflüchtige Speicherarten sind, erfüllen sie unterschiedliche Aufgaben in Automatisierungssystemen. NAND-Flash ist auf hochdichte Datenspeicherung ausgelegt, etwa für Protokolle oder große Dateisysteme, während NOR-Flash auf Zuverlässigkeit und schnellen Lesezugriff fokussiert ist.

In SPS und eingebetteten Steuerungen wählen Ingenieure NOR-Flash, wenn schnelle Startzeiten und verlässlicher Firmwarezugriff wichtiger sind als Speicherkapazität. Daher verwenden die meisten industriellen Steuergeräte, Netzwerkrouter und eingebetteten Steuerungen NOR-Speicher zur Ablage wichtiger Start- und Konfigurationsdaten.

Wesentliche Merkmale und technische Eigenschaften

NOR-Flash-Speicher bietet mehrere wichtige Eigenschaften, die ihn ideal für SPS- und DCS-Systeme machen:

• Hohe Lesegeschwindigkeit: Durch die parallele Zellverbindung erlaubt NOR-Speicher schnellen Zufallszugriff auf jedes Byte oder Wort, was die Startzeit minimiert.

• Zuverlässige Datenspeicherung: Daten im NOR-Flash können über ein Jahrzehnt intakt bleiben, was einen verlässlichen Langzeitbetrieb in Automatisierungssystemen gewährleistet.

• Geringer Stromverbrauch im Betrieb: Obwohl der anfängliche Stromstoß hoch ist, stabilisiert sich der NOR-Flash auf einen niedrigen Stromverbrauch im aktiven Zustand.

• Begrenzte Schreib- und Löschgeschwindigkeit: Der Schreibvorgang ist aufgrund des Ladungsspeichermechanismus langsamer, doch dieser Kompromiss führt zu höherer Datensicherheit und Lebensdauer.

• Hohe Herstellungskosten: Das komplexe Zellendesign und die größere Fläche pro Bit erhöhen die Produktionskosten im Vergleich zu NAND-Flash.

Anwendungen von NOR-Flash in SPS-Systemen

In der SPS-Architektur wird NOR-Flash hauptsächlich zur Speicherung systemkritischer Daten verwendet, wie zum Beispiel:

• Firmware und BIOS, die den Steuerungsstart initialisieren

• Bootloader und Diagnoseprogramme

• Hardware-Konfigurationsparameter und HTTP-Schnittstellendateien

• Systemdateistrukturen und Startabläufe

Da NOR-Flash die Daten auch bei Stromausfall bewahrt, ermöglicht er eine schnelle Systemwiederherstellung und reduziert Ausfallzeiten – ein entscheidender Vorteil für Branchen wie Öl und Gas, Fertigung und Prozessautomatisierung.

Warum NOR-Flash in der Industrieautomatisierung wichtig ist

In der modernen Fabrikautomatisierung bedeuten Ausfallzeiten erhebliche finanzielle Verluste. NOR-Flash trägt direkt zur Systemzuverlässigkeit bei, indem er Startabläufe und Firmware-Integrität sichert. Im Gegensatz zu flüchtigem Speicher stellt er sicher, dass SPS-Systeme nach unerwarteten Stromausfällen ohne Datenverlust den Betrieb wieder aufnehmen können.

Darüber hinaus macht seine Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse – wie Temperaturschwankungen oder elektrische Störungen – ihn besonders geeignet für steuerungstechnische Geräte in Industriequalität. Viele bekannte Automatisierungshersteller, darunter Siemens, Allen-Bradley und Honeywell, integrieren NOR-Flash in ihre Steuerungen, um Branchenstandards für Zuverlässigkeit und Leistung zu erfüllen.

Fachliche Einblicke: Trends und Branchenperspektiven

Mit der Weiterentwicklung der Industrieautomatisierung hin zu Edge-Computing und IoT-basierten Steuerungssystemen gewinnt eingebetteter nichtflüchtiger Speicher wie NOR-Flash zunehmend an Bedeutung. Ingenieure kombinieren heute NOR mit kleinen NAND-Partitionen, um schnelle Startzeiten mit flexibler Datenspeicherung zu verbinden.

Außerdem haben Fortschritte bei seriellen NOR-Flash-Speichern (SPI NOR) die Zugriffszeiten verbessert und den Platzbedarf auf Leiterplatten verringert, was sie ideal für kompakte modulare SPS und eingebettete Steuerplatinen macht. Zukünftige Entwicklungen gehen in Richtung Hybrid-Speicherlösungen, die die Stabilität von NOR mit erhöhter Speicherdichte verbinden.

Praktische Anwendungsszenarien

1. SPS-Start und Firmware-Wiederherstellung: NOR-Flash speichert den Bootloader, der den SPS-Betrieb nach Stromwiederkehr initialisiert.

2. Feldgerätekonfiguration: Speichert Geräteparameter und Kalibrierdaten für Fern-Ein-/Ausgabemodule.

3. Webbasierte SPS-Überwachung: Bewahrt eingebettete Webschnittstellendateien, die Wartungsingenieuren den Zugriff auf SPS über Browser ermöglichen.

4. Sicherheits-Firmware: Stellt sicher, dass sicherheitskritische Funktionen nach Stromausfall sofort ohne manuelles Nachprogrammieren neu starten können.

Fazit

NOR-Flash-Speicher spielt eine grundlegende Rolle bei der Sicherstellung der Stabilität und Zuverlässigkeit von SPS- und Industrieautomatisierungssystemen. Seine Fähigkeit zu schnellem Lesezugriff, sicherer Datenspeicherung und langer Haltbarkeit macht ihn unverzichtbar für Firmware-Speicherung, Startprozesse und Konfigurationsverwaltung. Mit dem Fortschritt der Automatisierungstechnik wird NOR-Flash weiterhin als verlässliches Rückgrat der Speicherarchitektur in industriellen Steuerungsanwendungen dienen.