Datenerfassung mit SPS, Messumformer und Software: Architekturen

Das Wichtigste auf einen Blick

Zentrale SPS-Erfassung mit PROFINET

Eine zentrale Architektur führt alle Messsignale in einem Schaltschrank zusammen. Messumformer für Druck, Temperatur oder Füllstand geben 4 bis 20 mA, HART oder ein digitales Protokoll aus. Analoge Eingabebaugruppen einer speicherprogrammierbaren Steuerung tasten diese Werte im Millisekundentakt ab.

Siemens SIMATIC verarbeitet die Kanäle über PROFINET, Geräte anderer Hersteller lassen sich per Modbus TCP einbinden. Hydrostatische Füllstandsmessumformer wie der SITRANS LH100 von Siemens liefern ihr Signal direkt auf die Baugruppe, eine Zwischenwandlung entfällt. Ein Messumformer am Stromkreis lässt sich später auf HART erweitern, ohne neue Leitungen zu ziehen.

Ein Projekt, eine Zeitbasis: Das sind die Stärken. Jede Messstelle braucht jedoch eine eigene Leitung bis zum Schrank, und die Kosten steigen mit der Kanalzahl. Bei 200 Messstellen und 80 Metern mittlerer Leitungslänge kommt schnell eine Kabellänge im zweistelligen Kilometerbereich zusammen. Für Anlagen mit wenigen, aber sicherheitsrelevanten Messgrößen bleibt diese Architektur die Referenz.

Dezentrale IO-Module und IO-Link Master

Dezentrale Architekturen verlagern die Signalwandlung in die Nähe des Sensors. Ein IO-Link Master, etwa von Balluff oder ifm, sammelt mehrere Sensoren digital und gibt die Werte über PROFINET, EtherCAT oder Modbus TCP an die Steuerung weiter. Statt analoger Einzeladern genügt ein Feldbus-Strang bis in die Feldebene.

IO-Link überträgt zusätzlich Parameterdaten und Diagnoseinformationen, die bei analoger Verdrahtung entfallen. Die Parametrierung läuft über die Werkzeuge der Hersteller, ein Sensortausch ohne Neuverkabelung ist möglich. Beckhoff kombiniert solche Module mit EtherCAT-Klemmen und einer SPS-Laufzeit auf demselben System, wie die Beckhoff Produktübersicht zeigt.

Grenzen liegen bei Zykluszeit und Teilnehmerzahl pro Strang. Wer Schwingungen oder transienten Druck mit hoher Abtastrate erfassen will, erreicht mit Feldbus-Geräten schnell das Ende der Auslegung. Dann hilft nur eine schnellere Ebene oder ein PC-Messsystem.

PC-Messsysteme mit LabVIEW und TwinCAT

PC-basierte Erfassung setzt auf Messkarten und Software auf einem Industrie-PC. National Instruments verbindet LabVIEW mit DAQ-Hardware und erreicht Abtastraten im Kilohertz- bis Megahertz-Bereich. Das Produktprogramm von National Instruments deckt LabVIEW, Messkarten, Chassis und Zubehör ab.

Beckhoff TwinCAT arbeitet ähnlich, bindet die Messwerte aber an die SPS-Laufzeit und an EtherCAT. Typische Felder sind Prüfstände und Schwingungsanalysen. Für die Auswahl zählt, ob die Messdaten in eine bestehende SPS-Welt zurückfließen müssen oder in einer eigenen Auswerteumgebung bleiben.

Der Preis dafür: ein geschützter Einbauort, ein Update-Konzept für das Betriebssystem und eine Versorgungssicherung. Neben Schweißanlagen oder Frequenzumrichtern ist das Störrisiko höher als bei einer kompakten Steuerung im Schaltschrank.

Cloud-Gateways, Netilion und moneo

Cloud-Gateways lesen Daten aus der Steuerung und übertragen sie in einen Dienst. Endress+Hauser Netilion bündelt Messwerte aus Füllstand, Durchfluss und Analyse. ifm moneo übernimmt Zustandsüberwachung und Parametrierung. Beide greifen auf OPC UA oder MQTT zurück und sind nicht für sicherheitsgerichtete Regelkreise gedacht.

Üblich ist ein Edge-Rechner, der die Werte per OPC UA abholt, puffert und verschlüsselt nach außen sendet. OPC UA gilt als herstellerübergreifender Standard mit Adressraum, Sicherheitsmodell und Publish-Subscribe-Erweiterung. MQTT ist schlanker und für Cloud-Strecken gedacht, kennt aber keine Typbeschreibung der Messwerte. Beide ergänzen sich: OPC UA liefert die Semantik, MQTT den Transport.

Der Branchenverband Bitkom erhebt regelmäßig, wie weit Industrieunternehmen in Deutschland bei solcher Vernetzung sind. Der Studienbericht Industrie 4.0 von Bitkom ordnet den Stand ein. Für die Architekturwahl bleibt entscheidend, ob Daten nur beobachtet oder geregelt werden sollen.

Häufige Fragen

Wann ist eine zentrale SPS-Erfassung die richtige Wahl?

Wenn wenige Messgrößen sicher und deterministisch erfasst werden sollen und die Wege zum Schaltschrank kurz sind. Siemens SIMATIC mit PROFINET deckt diesen Fall ab.

Reicht Modbus TCP für schnelle Messungen?

Modbus TCP ist einfach und herstellerübergreifend, arbeitet aber ohne deterministische Zeitbasis. Für Regelkreise mit engen Zykluszeiten ist PROFINET oder EtherCAT die bessere Wahl.

Was leisten Cloud-Gateways wie Netilion oder moneo?

Sie machen Messwerte außerhalb des Schaltschranks sichtbar und ermöglichen Zustandsüberwachung. Regelungsaufgaben bleiben in der SPS, weil Latenz und Verfügbarkeit nicht garantiert sind.

Wann lohnt sich ein PC-Messsystem?

Bei hohen Abtastraten, vielen Kanälen und wechselnden Versuchsaufbauten. LabVIEW und TwinCAT bieten dafür fertige Bibliotheken und Analysefunktionen.

Welche Rolle spielt OPC UA?

OPC UA ist die gemeinsame Schnittstelle zwischen SPS, Edge-Rechner und Cloud-Dienst. Es liefert Typinformationen und Rechteverwaltung mit, was reine Feldbusse nicht bieten.