Steuerung ohne Schaltschrank Beckhoffs Evolution von der physischen zur virtuellen SPS

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Beckhoff setzt bekanntlich auf PC-basierte Steuerungen statt auf klassische SPS. Jetzt geht Beckhoff den nächsten Schritt: Virtualisierte Steuerung als Container-Instanz – unabhängig vom Betriebssystem, skalierbar im Rechenzentrum, bereit für die IT/OT-Konvergenz.

Die Steuerungstechnik steht vor einem Paradigmenwechsel. Was mit der Verlagerung von Logikfunktionen vom Schaltschrank in den Industrie-PC begann, entwickelt sich nun zur vollständigen Virtualisierung der Steuerung – losgelöst von physischer Hardware, eingebettet in IT-Strukturen. Neben allen anderen SPS-Playern treibt auch Beckhoff diesen Wandel voran.

Auf dem VDI-Kongress Automation 2025 sogar persönlich, denn dort referierte Laurids Beckhoff darüber, wie sein Unternehmen diesen Entwicklungsschritt umsetzt. Der Ingenieur ist für das Branchengeschäft in der Prozessindustrie verantwortlich, doch das Thema rund um die Soft-SPS ist prinzipiell für jede Branche interessant.

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Beckhoff bietet heute nicht nur Komplettsysteme aus Industrie-PC und Soft-SPS, sondern geht mit containerisierten Steuerungsinstanzen unter Linux einen Schritt weiter: Der Software-Container ist nicht an eine bestimmte Hardware oder Hypervisor-Technologie gebunden. Laurids Beckhoff zeigte in seinem Vortrag, wie sich TwinCAT, Linux und Containertechnologie zu einer flexiblen Automatisierungsarchitektur verbinden und welche Chancen, aber auch Herausforderungen damit verbunden sind.

Von der Klemme zum Kernel: Rückblick auf die PC-basierte Steuerung

Die klassische Steuerungstechnik basierte lange auf fest verdrahteten Komponenten. Es folgte die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), dann die Soft-SPS auf Industrie-PCs. Beckhoff setzte früh auf diese PC-basierte Architektur: „1986 um den Dreh rum kam also dann die erste PC-basierte Steuerung, die wir bei Beckhoff erfunden haben und seitdem unseren Erfolgszug damit angetreten haben", erzählt Laurids Beckhoff von der Firmengeschichte, als er selbst noch gar nicht geboren war. Statt dedizierter SPS-Hardware bildeten fortan leistungsfähige IPCs die zentrale Plattform, ausgestattet mit der Softwareumgebung TwinCAT.

Der Fokus auf den PC als Steuerungsplattform hat Beckhoff nicht nur technologisch, sondern auch wirtschaftlich wachsen lassen. Die Rechenleistung moderner IPCs ermöglicht es, Steuerungs-, Motion- und Analysefunktionen auf einem Gerät zu vereinen, oft sogar ohne separate Hardwaremodule. Inzwischen umfasst das Angebot nicht nur IPCs und I/O-Komponenten, sondern auch Visualisierung, Safety und branchenspezifische Erweiterungen wie MTP. Die Grundidee aber bleibt: Steuerung ist Software – und Software läuft am besten auf einer offenen, skalierbaren Plattform.

TwinCAT als Plattform: Modular, skalierbar, durchgängig

Nach wie vor steht TwinCAT im Zentrum der Beckhoff-Philosophie. Die Plattform bildet zugleich die Basis für Virtualisierungsstrategien, von der Containerisierung über Cloud-Anbindung bis zur Entkopplung von Hardware und Logik. Das Engineering erfolgt über das Windows-basierte TwinCAT XAE, integriert in Microsoft Visual Studio. Die Runtime läuft auf Beckhoff-IPCs oder auch anderen geeigneten Industrieplattformen.

Wesentlich ist der modulare Aufbau: Einzelne Funktionen lassen sich bedarfsgerecht aktivieren, etwa Safety-Module oder die Unterstützung von MTP für die Prozessindustrie. TwinCAT ist dabei nicht nur eine Software für Steuerungslogik, sondern eine durchgängige Automatisierungsumgebung. Sie bildet auch die Grundlage für die Virtualisierungsansätze, die Beckhoff nun verfolgt, von der Containerisierung über die Cloud-Anbindung bis hin zur Entkopplung von Hardware und Steuerungslogik.

Die Trennung von Engineering und Runtime ermöglicht neue Architekturen: Das Engineering kann lokal, auf einem Server oder in der Cloud betrieben werden. Die Runtime wiederum läuft auf dem Zielsystem – sei es ein klassischer IPC oder ein virtualisierter Host im Rechenzentrum. Damit wird TwinCAT zur Steuerungsplattform für heterogene IT/OT-Landschaften.

Mehr als Windows: Neue Betriebssysteme für neue Architekturen

Lange war Windows das Standardbetriebssystem für Beckhoff-Steuerungen. Inzwischen bietet das Unternehmen Alternativen: TCBSD, eine FreeBSD-basierte Variante mit Echtzeiterweiterungen, und seit Kurzem auch eine vollständig Debian-basierte Linux-Version. Letztere bringt einen entscheidenden Vorteil – die Möglichkeit, TwinCAT-Runtimes als Container zu betreiben.

Mit Linux als Hostsystem wird die Steuerungstechnologie endgültig von der klassischen IPC-Architektur entkoppelt. Statt auf dedizierte IPCs mit lokalem Windows zu setzen, lassen sich Steuerungsinstanzen nun auf beliebigen Linux-Systemen installieren – etwa in Edge-Servern oder On-Premise-Rechenzentren. Die Laufzeitumgebung bleibt dabei gleich: TwinCAT wird als Container betrieben und kann so flexibel skaliert, migriert oder neu gestartet werden, ohne andere Instanzen zu beeinflussen.

FreeBSD bleibt dennoch relevant, insbesondere wenn es um Echtzeitfähigkeit und deterministische Prozesse geht. Per Hypervisor lassen sich auch gemischte Betriebssystemlandschaften realisieren, etwa ein Echtzeitkern unter FreeBSD und ein User-Mode-System unter Windows oder Linux. Die Steuerung wird dadurch nicht nur flexibler, sondern auch unabhängiger von Hardwarezyklen und klassischen Betriebssystem-Grenzen.

Containerisierung: TwinCAT wird zur Instanz im Rechenzentrum

„Das ist aus meiner Sicht der große Mehrwert: Ich habe zum ersten Mal wirklich zwei unabhängige TwinCAT-Runtimes auf dem gleichen Gerät“, erklärt der Ingenieur. Das erhöht die Ausfallsicherheit, vereinfacht die Bereitstellung und ermöglicht dynamisches Skalieren im laufenden Betrieb.

Für die Praxis bedeutet das: Eine einzige physische Hardware, egal ob Industrie-PC oder -Server, kann mehrere voneinander unabhängige Steuerungsinstanzen hosten. Neue Module lassen sich zur Laufzeit hinzufügen, bestehende aktualisieren oder neu starten, ohne den Rest des Systems zu beeinträchtigen. Gerade in modularen Produktionsumgebungen ist das ein enormer Vorteil.

Ein Anwendungsbeispiel ist der sogenannte MTP-Hub. In Labor- oder Prozessumgebungen werden einzelne Geräte wie Waagen, Pumpen oder Analysegeräte als MTP-Module angebunden, oft ohne eigene Steuerungshardware. Stattdessen laufen mehrere Module auf einem gemeinsamen Container-Host, der über dedizierte OPC-UA-Namespaces mit den Modulen kommuniziert. Die Containerisierung erlaubt es, diese Steuerungen modular, wartbar und skalierbar bereitzustellen – bei deutlich reduziertem Hardwareeinsatz.

IT/OT-Konvergenz: Steuerung wird zur IT-Anwendung

Mit der Virtualisierung verschiebt sich auch das Verantwortungsgefüge. Steuerungstechnik ist nicht mehr allein Sache der OT und orientiert sich zunehmend an IT-Standards und -Infrastrukturen. Das hat Folgen für die Architektur, für die Skills im Unternehmen und für die Sicherheitsanforderungen. Das stellt viele Automatisierer vor die Aufgabe, ihre bislang stark getrennten IT- und OT-Abteilungen zusammenzuführen, technisch wie personell. Nicht jede Organisation ist darauf vorbereitet. Doch genau hier entscheidet sich, ob neue Steuerungskonzepte produktiv eingesetzt werden können.

Beckhoff setzt bei der Kommunikation zwischen Engineering und Runtime auf etablierte IT-Protokolle wie MQTT. Dadurch lassen sich Steuerungsprojekte auch aus der Cloud heraus verwalten und versionieren. Gleichzeitig entstehen neue Angriffsflächen, die abgesichert werden müssen. Der Betrieb containerisierter Steuerungen erfordert daher IT-Know-how: Netzwerkmanagement, Security-Konzepte, Update-Prozesse und Skalierungsstrategien.

Die Vorteile seien laut Beckhoff aber Versionierbarkeit, zentrale Verwaltung, dynamische Bereitstellung und die Integration in bestehende IT-Landschaften. Doch die Anforderungen steigen mit, etwa die Echtzeitfähigkeit sicherzustellen oder der Schutz verteilter Architekturen gegen Cyberangriffe. „Natürlich braucht man auch eine gewisse Workforce in der IT, die das Ganze aufsetzen, betreuen, pflegen kann. Aber dadurch erreiche ich eine sehr gute und leichte Skalierbarkeit“, so Laurids Beckhoff. Virtualisierte Steuerungen sind nicht per se einfacher oder besser, sondern vielmehr anders: Sie verlangen ein grundsätzliches Umdenken – organisatorisch, technisch wie strategisch.

Ausblick: Wird die Hardware-SPS verdrängt?

Die Virtualisierung verändert nicht nur die Technik, sondern auch die Machtverhältnisse im Automatisierungsmarkt. Soft-SPS-Lösungen wie TwinCAT unter Linux hebeln das klassische Zusammenspiel von Hardware, Engineering und Lizenzmodell aus. Wer bisher Steuerung vor allem als Produkt mit Gehäuse verkauft hat, muss sich in Zukunft auf Betriebskonzepte und Softwarepflege konzentrieren oder gerät unter Druck. Das ist mittlerweile allen Marktteilnehmern bewusst, weswegen auch diejenigen virtuelle Lösungen anbieten, bei denen Hard- und Software bislang enger verzahnt war als bei Beckhoffs prinzipiell flexibleren PC-Systemen.

Besonders dynamisch dürfte sich die Entwicklung in modularen Branchen vollziehen, etwa in der Halbleiterindustrie, im Anlagenbau oder in Laborumgebungen. Hier lassen sich neue Steuerungsinstanzen schnell integrieren, ohne physische Eingriffe. Klassische Maschinenbauer dagegen stehen vor größeren Hürden: Brownfield-Anlagen, lange Produktzyklen und konservative IT-Strukturen bremsen den Wandel aus. Das eröffnet Spielräume für Anbieter mit IT-Know-how, für neue Plattformbetreiber, vielleicht auch für branchenfremde Softwareunternehmen. Für Systemintegratoren entstehen daraus neue Geschäftsmodelle, von Remote-Inbetriebnahme bis zur softwarebasierten Wartung.

Niemand aber prophezeit das Ende der klassischen SPS, genauso wenig (Laurids) Beckhoff: Auch der Ingenieur betont, dass man weiterhin auf das Geschäft mit den IPCs setzt, die nach wie vor auf TwinCAT zugeschnitten sind. Virtuelle Steuerungen erweitern vielmehr die Möglichkeiten in der Anwendung, anstatt der Komplettlösung aus Hard- und Software direkte Konkurrenz zu bieten.

 (mc)

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