Prozessleitsystem (PLS): Definition, Aufbau, Abgrenzung zu SCADA & MES

Prozessleitsystem (PLS): Bedeutung

Ein Prozessleitsystem (PLS), im Englischen Distributed Control System (DCS), ist ein Automatisierungssystem zur Überwachung, Regelung und Steuerung kontinuierlicher oder chargenbasierter Produktionsprozesse. Es kommt primär in der Verfahrenstechnik zum Einsatz: Chemieanlagen, Raffinerien, Kraftwerke, Pharmaproduktion, Wasser- und Abwasseraufbereitung, Lebensmittelverarbeitung.

Das zentrale Merkmal eines PLS ist der geschlossene Regelkreis. Das System misst kontinuierlich Prozessgrößen (Temperatur, Druck, Durchfluss, Füllstand, pH-Wert, Konzentration), vergleicht sie mit Sollwerten und regelt über Stellglieder (Ventile, Pumpen, Heizungen) automatisch nach.

Wenn in einer Destillationskolonne die Kopftemperatur um 2 °C vom Sollwert abweicht, korrigiert das PLS die Rücklaufmenge, ohne dass ein Operator eingreifen muss. Dieser Automatisierungsgrad unterscheidet ein PLS grundlegend von einem MES, das Fertigungsdaten erfasst und visualisiert, aber nicht direkt in den physischen Prozess eingreift.

Aufbau eines Prozessleitsystems

Ein PLS besteht aus mehreren Schichten, die nach IEC 62264 (ISA-95) den Ebenen 0 bis 2 der Automatisierungspyramide zugeordnet sind.

Die Kommunikation zwischen den Ebenen läuft über industrielle Feldbusse (PROFIBUS PA, FOUNDATION Fieldbus, HART) oder über Ethernet-basierte Protokolle (PROFINET, EtherNet/IP). Die Operator-Stationen zeigen Prozessbilder (Fließbilder nach P&ID), in denen jeder Sensor, jedes Ventil und jeder Regelkreis live dargestellt wird.

Etablierte PLS-Hersteller sind Siemens (SIMATIC PCS 7, PCS neo), ABB (System 800xA), Emerson (DeltaV), Honeywell (Experion PKS), Yokogawa (CENTUM VP) und Schneider Electric (EcoStruxure Foxboro DCS).

Diese Systeme sind auf Hochverfügbarkeit ausgelegt: redundante Controller, redundante Netzwerke, redundante Operator-Stationen. In einer Raffinerie oder einem Kraftwerk darf das Leitsystem nicht ausfallen.

PLS vs. SCADA vs. MES: Die Abgrenzung

Die drei Systeme werden leicht verwechselt, weil sie alle mit Produktionsdaten arbeiten. Sie unterscheiden sich so:

Welches System passt, hängt davon ab, was produziert wird.

Wer einen kontinuierlichen Prozess fährt (Chemikalien, Kraftstoff, Strom, gereinigtes Wasser), braucht ein PLS. Das PLS regelt den Prozess.

Wer diskrete Teile produziert (Karosseriebauteile, Blister, Kunststoffgehäuse, Montagegruppen), braucht ein MES. Das MES steuert die Aufträge, erfasst die KPIs und dokumentiert die Fertigung.

Wer verteilte Infrastruktur über große Entfernungen überwacht (Pumpstationen, Umspannwerke, Pipelines), braucht SCADA.

PLS und MES können im selben Unternehmen parallel laufen. Eine Pharma-Anlage hat ein PLS für die Wirkstoffherstellung (kontinuierliche Synthese) und ein MES für die Verpackung (diskrete Blisterlinien).

Die Schnittstelle zwischen beiden Welten ist der Fertigungsauftrag: Das ERP gibt den Auftrag frei, das MES übernimmt ihn für die Verpackung, und die Prozessdaten aus dem PLS stehen über Historian-Anbindungen für die Chargenrückverfolgung bereit.

Wann ein PLS an seine Grenzen stösst

Ein PLS regelt physikalische Prozesse. Fertigungskennzahlen berechnen, Aufträge steuern oder Stillstände über mehrere Linien analysieren gehört nicht zu seinen Aufgaben. In drei Szenarien werden die Grenzen sichtbar:

Szenario 1: OEE-Berechnung. Ein PLS kann Laufzeiten und Stillstände einer Anlage erfassen. Es kann aber nicht automatisch zwischen geplanter Produktionszeit, Rüstzeit und ungeplanter Störung unterscheiden, weil es keinen Auftragsbezug hat. OEE erfordert die Zuordnung von Gut-/Schlechtteilen zu Produkten und Aufträgen. Das ist eine MES-Funktion.

Szenario 2: Schichtübergreifende Analyse. Das PLS zeigt, was gerade passiert (Prozessbilder, Trendkurven, Alarme). Für die Frage „Warum war die Verfügbarkeit in Schicht 2 letzte Woche 6 % niedriger als in Schicht 1?“ braucht es historische Auswertungen mit Schichtmodell, Stillstandsklassifizierung und KPI-Vergleich. Das leistet ein Kennzahlen-Modul im MES.

Szenario 3: Werksübergreifendes Reporting. Ein PLS ist standortbezogen. Wer Kennzahlen aus mehreren Werken vergleichen will (wie Meleghy Automotive mit vier Werken oder Carcoustics mit mehr als 500 Anlagen in 12 Werken), braucht eine Cloud-Plattform, die Daten standortübergreifend aggregiert. Das PLS liefert die Prozessdaten, das MES aggregiert und analysiert sie.

PLS in der Automatisierungspyramide: Was darüber und darunter liegt

Die Automatisierungspyramide nach ISA-95/IEC 62264 ordnet die Systeme nach Ebenen:

Zwischen Level 2 und Level 3 tauschen PLS und MES Daten aus. In der Verfahrenstechnik liefert das PLS die Prozessdaten (Temperaturen, Drücke, Chargenprotokolle) nach oben an das MES. Das MES gibt Auftragsfreigaben und Rezeptparameter nach unten an das PLS.

Diese bidirektionale Kommunikation läuft über OPC UA, B2MML (Business to Manufacturing Markup Language nach ISA-95) oder proprietäre Schnittstellen.

In der diskreten Fertigung gibt es kein PLS. Die Maschine (Presse, Spritzgießmaschine, Montageautomat) wird über eine lokale SPS gesteuert. Das MES kommuniziert direkt mit der SPS über OPC UA, digitale Signale oder herstellerspezifische Protokolle.

Die Funktion ähnelt der eines PLS: Prozessdaten erfassen. Die Architektur ist aber eine andere, weil diskrete Maschinen keine geschlossenen Regelkreise im PLS-Sinn haben.

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Batch-Steuerung: Wo PLS und MES sich überschneiden

Bei der Batch-Fertigung (chargenbasierte Produktion) gibt es die größte Überschneidung zwischen PLS und MES. Die Norm ISA-88 (S88) definiert die Batch-Steuerung in der Verfahrenstechnik: Rezepte, Phasen, Operationen, Einheitsprozeduren. Ein PLS mit S88-konformer Batch-Engine steuert die physische Ausführung der Charge (Mischen, Erhitzen, Kühlen, Reagieren).

Das MES steuert die diskrete Seite derselben Charge: Abfüllung in Behälter, Verpackung, Etikettierung, Palettierung. Und es stellt die Rückverfolgbarkeit sicher: Welche Rohstoffe gingen in welche Charge? Welche Charge wurde in welche Verpackungseinheiten abgefüllt?

Diese Traceability ist vorgeschrieben, aber nach verschiedenen Regeln. In der Lebensmittelindustrie verlangt Artikel 18 der Verordnung (EG) Nr. 178/2002, für jedes Lebensmittel den Lieferanten und das belieferte Unternehmen feststellen zu können. In der Pharmaindustrie verlangt der EU-GMP-Leitfaden, Kapitel 4, ein Protokoll für jede hergestellte Charge.

Wie der Austausch an der Schnittstelle aussieht, zeigt ein Beispiel für eine Charge in der Verfahrenstechnik. Die Nachrichten folgen der Logik von ISA-88 und B2MML; welche Felder ein Werk tatsächlich überträgt, legt seine Schnittstellenbeschreibung fest.

Fehlt eine dieser Nachrichten, entsteht die Lücke an der Ebenengrenze: Ohne die Prozesswerte zur Charge kennt das MES die Charge, aber nicht die Bedingungen, unter denen sie entstanden ist.

SYMESTIC erfasst an Abfüll- und Verpackungslinien Stückzahlen, Stillstände und Prozessdaten. Eine Chargen- und Materialrückverfolgung gehört nicht zum heutigen Funktionsumfang.

Häufige Fragen zum Prozessleitsystem (PLS)

Was ist der Unterschied zwischen PLS und DCS?

Keiner. PLS (Prozessleitsystem) ist der deutsche Begriff für DCS (Distributed Control System). Beide bezeichnen dasselbe: ein verteiltes Automatisierungssystem mit geschlossenen Regelkreisen für die Verfahrenstechnik. In der internationalen Literatur und bei englischsprachigen Herstellern (Emerson, Honeywell, Yokogawa) wird DCS verwendet. In der DACH-Region ist PLS der gängige Begriff.

Brauche ich ein PLS oder ein MES?

Das hängt vom Prozesstyp ab. Wer kontinuierliche Prozesse fährt (Chemie, Raffination, Energieerzeugung), braucht ein PLS für die Prozessregelung. Wer diskrete Teile produziert (Stanzen, Spritzgießen, Montage, Verpackung), braucht ein MES für Auftragssteuerung und Kennzahlen. Manche Unternehmen haben beides: PLS für die Verfahrenstechnik, MES für die nachgelagerte diskrete Fertigung und Verpackung.

Kann ein PLS OEE berechnen?

Nur eingeschränkt. Ein PLS kann Laufzeiten und Stillstände einer Anlage erfassen. Für eine vollständige OEE-Berechnung (Verfügbarkeit x Leistung x Qualität) fehlt dem PLS der Auftragsbezug: Welches Produkt wird gefertigt, wie hoch ist die Soll-Taktzeit, wie viele Gutteile wurden produziert? Das sind MES-Funktionen. Ein Produktionskennzahlen-Modul im MES berechnet OEE automatisch und schlüsselt die Verluste nach Verfügbarkeit, Leistung und Qualität auf.

Wie kommuniziert ein PLS mit dem MES?

Über standardisierte Schnittstellen: OPC UA, B2MML (XML-basiert nach ISA-95) oder Historian-Anbindungen (PI, IP.21). Das MES liest Prozessdaten und Batch-Protokolle aus dem PLS. Das PLS empfängt Auftragsparameter und Rezeptvorgaben vom MES. Für neue Anlagen liegt OPC UA nahe; ältere Installationen laufen teils über proprietäre Schnittstellen.

Wird das PLS durch IIoT und Cloud-MES überflüssig?

Nein. Ein PLS regelt physische Prozesse in Echtzeit mit Zykluszeiten im Millisekundenbereich. Das kann und soll nicht in die Cloud verlagert werden. Die Daten aus dem PLS lassen sich dagegen über OPC UA in Cloud-Plattformen übertragen, um sie standortübergreifend zu analysieren und mit MES-Daten zu kombinieren. Das PLS bleibt On-Premise, die Analyse wandert in die Cloud.

Quellen

• Europäisches Parlament und Rat: Verordnung (EG) Nr. 178/2002, Artikel 18, 2002
• Europäische Kommission: EudraLex Band 4, EU-GMP-Leitfaden Teil I, Kapitel 4 Dokumentation, 2011

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