Raspberry Pi als SPS

Der Raspberry Pi ist günstig, flexibel und hat eine riesige Community hinter sich. Kein Wunder, dass immer mehr Ingenieure und Automatisierungstechniker fragen: Kann ich einen Raspberry Pi als SPS einsetzen? Die kurze Antwort lautet: Ja – aber es kommt entscheidend darauf an, welchen Raspberry Pi du verwendest und wofür.

In diesem Artikel schauen wir uns ehrlich an, was ein Standard-Raspberry Pi in der Rolle einer SPS leisten kann, wo seine Grenzen liegen und warum der Revolution Pi als industrialisierter Raspberry Pi die Lücke zwischen Maker-Welt und Fabrikhalle schließt.

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) – auf Englisch PLC, Programmable Logic Controller – ist das Herzstück industrieller Automatisierung. Sie liest Eingangssignale von Sensoren und Schaltern, verarbeitet diese nach einem festgelegten Programm und steuert daraufhin Aktoren wie Motoren, Ventile oder Relais.

Was eine SPS von einem normalen Computer unterscheidet, sind vor allem vier Eigenschaften:

• Echtzeit-Fähigkeit: Ein SPS-Zyklus muss deterministisch ablaufen – das heißt, die Zykluszeit ist vorhersehbar und zuverlässig wiederholbar.
• Robustheit: SPS-Hardware ist für den Betrieb bei Temperaturschwankungen, Vibrationen, Staub und elektromagnetischen Störungen ausgelegt.
• Langzeitverfügbarkeit: Industrieanlagen laufen 10, 15, manchmal 20 Jahre. Die Steuerung muss entsprechend lange lieferbar bleiben.
• Normkonformität: Für viele Anwendungen sind Normen wie EN 61131-2 und die Programmierung nach IEC 61131-3 keine Option, sondern Pflicht.

Ein zentrales Konzept, das SPS-Neulinge schnell verstehen sollten, ist das Prozessabbild (englisch: Process Image). Am Anfang jedes Zyklus liest die SPS alle aktuellen Eingangssignale – Sensorzustände, Schalterstellungen, analoge Messwerte – und speichert eine Momentaufnahme davon im Arbeitsspeicher. Diesen Speicherbereich nennt man das Prozessabbild der Eingänge (PAE).

Das SPS-Programm arbeitet dann ausschließlich mit dieser Momentaufnahme – nicht direkt mit den physischen Signalen. Berechnungen, Verknüpfungen und Entscheidungen erfolgen auf Basis des PAE. Das Ergebnis schreibt das Programm in das Prozessabbild der Ausgänge (PAA). Erst am Ende des Zyklus überträgt die SPS den Inhalt des PAA auf die physischen Ausgangsklemmen und schaltet damit Aktoren.

Dieses Prinzip hat einen wichtigen Vorteil: Das Programm arbeitet während eines gesamten Zyklus mit einem konsistenten, unveränderlichen Abbild der Anlage. Selbst wenn sich ein Eingangssignal mitten im Zyklus ändert, beeinflusst das die aktuelle Programmausführung nicht mehr – erst im nächsten Zyklus wird das neue Signal berücksichtigt. Das macht das Verhalten der Steuerung deterministisch und gut vorhersehbar.

Beim Revolution Pi kann jede Software – egal ob CODESYS, Python oder Node-RED – über ein gemeinsames Prozessabbild auf die I/Os und Feldbusse zugreifen. Das ist ein klarer Vorteil gegenüber einer selbstgebauten Lösung auf dem Standard-Raspberry Pi, bei der man dieses Konzept manuell implementieren müsste.

Die technische Antwort ist: bedingt. Die aktuellen Standard-Raspberry Pi bringen beeindruckende Rechenleistung für ihren Preis mit, und mit Software wie CODESYS oder OpenPLC lassen sich tatsächlich SPS-Programme nach IEC 61131-3 schreiben und ausführen. Für Schulungszwecke, Prototypen, Proof of Concepts oder kleine Heimautomationsprojekte funktioniert das gut.

Sobald es aber in den ernsthaften industriellen Einsatz geht, zeigen sich fundamentale Probleme:

Kein echtes Echtzeit-Betriebssystem. Der Raspberry Pi läuft auf einem Standard-Linux ohne harten Echtzeit-Kernel. Das bedeutet: Zykluszeiten sind nicht garantiert deterministisch. Für Förderanlagen, Pressen oder Positioniersteuerungen, die auf Millisekunden genau reagieren müssen, ist das inakzeptabel. CODESYS schreibt selbst in seiner Dokumentation, dass die Runtime auf dem Standard-Raspberry Pi ohne Kernel-Anpassung keine harten Echtzeiteigenschaften garantieren kann.

Keine Industriezertifizierung. Der Raspberry Pi ist ein Consumer-Produkt und wurde weder nach EN 61131-2 geprüft noch hat er eine UL-Zertifizierung für den industriellen Einsatz.

Fragile Stromversorgung. Die 5-V-USB-Versorgung des Raspberry Pi ist für Industrieumgebungen ungeeignet. Spannungsschwankungen, Einschaltstrom-Peaks oder schlicht ein Wackelkontakt am Kabel können den Betrieb unterbrechen.

SD-Karte als Systemspeicher. Der Standard-Raspberry Pi bootet von einer SD-Karte. Im industriellen Dauerbetrieb mit vielen Schreib-/Lesezugriffen ist das ein bekanntes Ausfallrisiko. Defekte SD-Karten sind eine häufige Ursache für ungeplante Stillstände.

Kein DIN-Schienen-Gehäuse. In der Automatisierungstechnik wird Hardware standardmäßig auf DIN-Schienen im Schaltschrank montiert. Ein nacktes Raspberry Pi-Board gehört da nicht hin.

Eingeschränkte Langzeitverfügbarkeit. Raspberry Pi-Boards werden regelmäßig durch neue Versionen ersetzt. Für eine Anlage, die 10 Jahre laufen soll, ist das ein echtes Risiko für Ersatzteilversorgung und Kompatibilität.

Genau hier setzt Revolution Pi an. Der Raspberry Pi wurde konsequent industrialisiert – nicht als Bastellösung, sondern als ernstzunehmendes Industrieprodukt.

Im Herz jedes Revolution Pi arbeitet ein Raspberry Pi Compute Module (CM). Das Compute Modul wurde von Raspberry Pi explizit für industrielle Einbettungen entwickelt – kompakterer Formfaktor, eMMC-Speicher statt SD-Karte und definierte Langzeitverfügbarkeit. Der aktuelle RevPi Connect 5 basiert auf dem CM5, das bis mindestens Januar 2036 produziert wird. Das ist Planungssicherheit, die man in der Industrie braucht.

Entwickelt nach EN 61131-2 — Revolution Pi erfüllt den SPS-Industriestandard EN 61131-2. Das Gehäuse ist nach IP20 geschützt, lüfterlos und für den Dauerbetrieb auf der DIN-Schiene im Schaltschrank ausgelegt.

24-VDC-Industrieversorgung — Statt USB-5V wird der RevPi über eine robuste 24-V-DC betrieben, genau wie klassische SPS-Hardware.

Real-Time-Kernel — Das Debian-basierte Betriebssystem Revolution Pi OS kommt unter anderem mit einem Real-Time-Patch des Linux-Kernels. Damit erreicht Revolution Pi Zykluszeiten, die für die große Mehrheit industrieller Steuerungsaufgaben ausreichend sind.

Prozessabbild — Wie eine klassische SPS arbeitet der RevPi mit einem zyklisch aktualisierten Prozessabbild. Alle Ein- und Ausgangswerte der angeschlossenen I/O-Module werden in einem gemeinsamen Speicherbereich abgebildet – dem sogenannten piControl-Treiber. Anwendungsprogramme lesen und schreiben ausschließlich dieses Abbild, nicht direkt die Hardware. Das entkoppelt Steuerungslogik und I/O-Zugriff, erhöht die Konsistenz der Daten innerhalb eines Zyklus und ist das Grundprinzip jeder deterministischen Steuerung.

eMMC statt SD-Karte — Das Compute Module nutzt eingebauten eMMC-Speicher. Kein Wackelkontakt, kein Ausfall durch SD-Kartenverschleiß.

CE und UL-Zertifizierung — Jedes RevPi-Gerät wird in Deutschland produziert und getestet. Die CE-Kennzeichnung und die UL-Zertifizierung (UL File No. E494534) ermöglichen den weltweiten Maschineneinsatz ohne Zulassungsprobleme.

Modularer Aufbau — Das ist vielleicht das stärkste Argument gegen eine klassische monolithische SPS: Revolution Pi ist modular. Basismodule (RevPi Core, RevPi Connect) werden mit digitalen und analogen I/O-Modulen sowie Feldbusmodulen kombiniert – PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP, CANopen, Modbus RTU, alle verfügbar. Man baut genau das System zusammen, das man braucht, ohne für nicht genutzte Features zu zahlen.

Die CODESYS-Integration ist einer der Hauptgründe, warum Automatisierungstechniker den Revolution Pi der Bastel-SPS vorziehen. CODESYS Control for Linux ARM/ARM64 läuft nativ auf dem RevPi, KUNBUS stellt fertige Treiber und eine Revolution Pi Library für CODESYS zur Verfügung.

Damit wird der RevPi zur vollwertigen Soft-SPS, die alle IEC-61131-3-Sprachen unterstützt: Kontaktplan (KOP), Strukturierter Text (ST), Funktionsbausteinsprache (FBS) und Ablaufsprache (SFC). Die Konfiguration der I/O-Module erfolgt direkt im CODESYS Development System – wer das TIA Portal von Siemens kennt, findet sich schnell zurecht.

Mit CODESYS WebVisu lassen sich außerdem webbasierte HMI-Oberflächen erstellen, die auf jedem Browser – PC, Tablet, Smartphone – angezeigt werden können. Eine separate HMI-Software entfällt.

Wer hingegen lieber in Python programmiert, greift zur Open-Source-Bibliothek RevPiModIO, die vollen Zugriff auf alle I/Os und Feldbusse bietet. Node-RED steht ebenfalls vorinstalliert zur Verfügung, ideal für Datenrouting, Protokollkonvertierung und schnelle Dashboard-Entwicklung.

Eine klassische SPS leistet zuverlässige Arbeit – das steht außer Frage. Wer aber heute eine neue Anlage plant, sollte sich fragen, ob die Anforderungen der modernen Fabrik mit einem geschlossenen, proprietären System noch optimal bedient werden. Revolution Pi bietet gegenüber klassischen SPS-Lösungen in mehreren Punkten echte Vorteile.

Kein Vendor Lock-in. Bei klassischen SPS-Herstellern sind Hardware, Programmiersoftware und oft auch die Feldbus-Lizenzen eng miteinander verknüpft. Ein Wechsel des Herstellers bedeutet in der Regel, dass Programme neu geschrieben, Schulungen wiederholt und teure Lizenzen neu gekauft werden müssen. Revolution Pi setzt auf offene Standards: CODESYS läuft auf Hardware verschiedener Hersteller, Python und Node-RED sind ohnehin plattformunabhängig, und alle Kommunikationsprotokolle basieren auf Industriestandards wie OPC UA, MQTT, Modbus oder PROFINET.

Volle Linux-Freiheit. Klassische SPS-Systeme sind geschlossene Plattformen – man programmiert in der vorgesehenen Umgebung und hat ansonsten keinen Zugriff auf das darunterliegende System. Der Revolution Pi ist ein vollwertiger Linux-Computer mit Root-Rechten. Das ermöglicht es, zusätzliche Software zu installieren, Docker-Container zu betreiben, eigene Dienste zu schreiben oder die Steuerung direkt in eine bestehende IT-Infrastruktur einzubinden.

Deutlich günstigeres Preis-Leistungs-Verhältnis. Eine CPU einer klassischen Kompakt-SPS kostet häufig das Zwei- bis Fünffache eines vergleichbaren Revolution Pi, ohne dabei mehr Steuerungsleistung für typische Automatisierungsaufgaben zu bieten. Hinzu kommen bei proprietären Systemen oft Lizenzkosten für die Programmiersoftware, teure I/O-Erweiterungsmodule und Support-Verträge. Revolution Pi senkt diese Gesamtbetriebskosten (TCO) spürbar – gerade bei mittleren Stückzahlen oder verteilten Anlagen mit vielen Steuerungsknoten.

Moderne Softwareentwicklung. Mit einer klassischen SPS programmiert man in einer abgeschlossenen IDE, führt manuell Änderungen durch und verwaltet Versionen bestenfalls mit proprietären Backup-Mechanismen. Auf dem Revolution Pi lassen sich moderne DevOps-Praktiken anwenden: Git-basierte Versionskontrolle, CI/CD-Pipelines für automatisierte Deployments, Remote-Updates über SSH.

Standard-Raspberry Pi als SPS: Sinnvoll für Schulungen, Prototypen und Hobby-Projekte. Wer IEC 61131-3-Programmierung lernen möchte ohne viel Budget, fährt mit einem Pi und OpenPLC oder der CODESYS-Demo gut. Im produktiven Industrieeinsatz jedoch ist er kein zuverlässiges Steuerungssystem.

Revolution Pi als industrielle SPS: Die richtige Wahl für alle, die die Offenheit und Flexibilität des Raspberry-Pi-Ökosystems – Linux, Python, Node-RED, CODESYS, OPC UA, MQTT – mit den Anforderungen des industriellen Alltags verbinden müssen: Zertifizierung, Robustheit, Langzeitverfügbarkeit und deterministische Echtzeit.

Klassische SPS: Nach wie vor die erste Wahl für sicherheitskritische Anwendungen (Safety), Anlagen mit sehr harten Echtzeit-Anforderungen im Mikrosekundenbereich oder dort, wo ein bestehendes Automatisierungskonzept auf bestimmten proprietären Ökosystemen aufbaut. Der Nachteil: deutlich höhere Kosten, Vendor Lock-in und kaum Offenheit für moderne IT-Infrastruktur.

Der Revolution Pi schließt genau die Lücke zwischen diesen Welten. Er ist kein Bastelprojekt, das wie eine SPS aussieht – er ist eine echte industrielle Steuerung, die auf dem Raspberry Pi Compute Module basiert.