Auf dem Vormarsch

IT Innovationen in der Automatisierungstechnik ermöglichen die wirtschaftliche Entwicklung und Erstellung von Maschinen und Anlagen. Nach der Einführung von SPS und Feldbussen wird die Informationstechnik als weiterer Meilenstein den Maschinen- und Anlagenbau verändern.

20. August 2008
Bild 1: Auf dem Vormarsch
Bild 1: Auf dem Vormarsch

Auf Basis von Feldbussystemen wie zum Beispiel Interbus hat die Industrie Geräte über große Distanzen effizient sowie ohne aufwendige Verkabelung an die Steuerung angekoppelt. Neben den Prozessdaten der Sensoren und Aktoren waren die Techniker in der Lage, weitere Informationen wie Parameter und Diagnosedaten über das gleiche Kabel zu übertragen. Dadurch ergaben sich neue Möglichkeiten in der Automatisierung, denn die Anlagen ließen sich schneller aufbauen und flexibler an die zu fertigenden Produkte anpassen. Darüber hinaus minimierten Feldbusse die Stillstandszeiten, da über die integrierte leistungsfähige Systemdiagnose zusätzliche Informationen über Fehlerart und -ort verfügbar waren, sodass sich Störungen schneller beheben ließen. Heute sind Feldbussysteme Standard in nahezu allen Automatisierungslösungen und bilden mit den speziellen Fähigkeiten das Rückgrat jeder modernen Maschine und Anlage.

Entwicklungen aus dem Büro in die Industrie

Da SPSen und Feldbussysteme sowie zahlreiche weitere Technologien speziell für die Automatisierung entwickelt wurden, besitzen sie einen entscheidenden Nachteil: Aufgrund der im Vergleich zum Consumer- Bereich relativ geringen Stückzahlen stellen sich kaum Skaleneffekte und damit sinkende Preise ein. Parallel zu den spezifischen Entwicklungen in der Automatisierungstechnik vollzog sich im Rahmen der Büroautomatisierung ein Wandel zu offenen und standardisierten Systemen mit entsprechender Software und Kommunikationsplattformen. Der durch die hohe Standardisierung und die großen Stückzahlen attraktive Markt forcierte die kontinuierliche Entwicklung neuer Innovationen bei stetig steigender Leistungsfähigkeit und fallenden Preisen.

Aus diesen Gründen waren die Hersteller und Anwender von Automatisierungstechnik von Haus aus schon immer daran interessiert, die Büro-Technologien als Basis für ihre Systeme und Lösungen zu nutzen. Auf diese Weise wollten die beteiligten Unternehmen von den rasanten Entwicklungen und den kontinuierlich sinkenden Preisen profitieren. Was zunächst mit dem PC als Symbol für den Einzug der Büro- in die Automatisierungstechnik begann, wurde mit dem Windows-Betriebssystem von Microsoft als einheitlicher Software- Plattform und Ethernet als durchgängigem Kommunikationssystem fortgesetzt. Die aus dem Büroumfeld adaptierten Technologien haben sich heute in vielen industriellen Anwendungen fest etabliert. Sie fungieren schon lange als Basis für den Einsatz weiterer Informationstechnologien in der Fertigungsebene.

Informationstechnik konsequent nutzen

Um die kommerziellen Technologien in rauen industriellen Umgebungen verwenden zu können, stand den Unternehmen eine große Anstrengung bevor: Sie waren durch die Beschaffenheit der Bürotechnologien gezwungen, diese an die Rahmenbedingungen anzupassen, die die Automatisierung mit sich bringt.

Wesentliche Anforderungen sind dabei:

- Robustheit gegen elektromagnetische Störungen und mechanische Beanspruchung

- Eine langjährige Verfügbarkeit der verwendeten Technologien und Produkte

- Industriegerechte Anschluss und Montagetechnik

- Einfache Installation und Inbetriebnahme sowie schneller Gerätetausch im Fehlerfall

- Echtzeitfähigkeit und deterministische Datenübertragung

Spezielles Konzept zur Umsetzung entwickelt

Diese und weitere Anforderungen setzt Phoenix Contact aus Blomberg im Rahmen des Konzepts »IT-powered Automation « um. Dabei kombiniert das Unternehmen IT- und Automatisierungsstandards zu einer optimalen Gesamtlösung. IT-powered Automation bedeutet nicht nur, dass die verschiedenen Protokolle und Geräte der Informationstechnik neu verpackt und an die industriellen Anforderungen angepasst werden. Vielmehr wird die Informationstechnik umfassend und konsequent als Basis für automatisierungsspezifische Produkte genutzt. Kernelement ist dabei die Netzwerktechnik, die alle Geräte einer Automatisierungslösung miteinander sowie mit den überlagerten Unternehmensnetzwerken verbindet. Während der Bürostandard Ethernet, der auf Sternstrukturen und Hub-Technologien basierte, nur eingeschränkt im Produktionsumfeld einsetzbar war, mussten für die Fabrikautomation neue Lösungen gefunden werden.

Der Durchbruch kam mit der Entwicklung der Fast-Ethernet- Technologie auf Basis von Switches. Durch den Einbau von Microswitches in die Endgeräte ließen sich fortan die Linientopologien der Feldbuswelt realisieren. Zudem wurde die Deterministik des Netzwerks durch die aus der IP-Telefonie bekannten Quality-of-Service- Mechanismen entscheidend verbessert. Auf diese Weise überträgt das gleiche Kabel sowohl die zeitkritischen Prozessdaten mit höchster Priorität und nahezu ohne zeitliche Streuung, als auch die Bedarfsdaten zur Parametrierung parallel. Die größte Herausforderung bei der Anpassung der Informationstechnologien an die Automatisierungstechnik besteht darin, dass sie weiterhin kompatibel zu den bekannten IEEE-Standards sind.

Es muss also sichergestellt sein, dass ein solches System zwei Voraussetzungen erfüllt: Es muss die Informationen übermitteln, die für die Automatisierung spezifisch sind und gleichzeitig Standardsysteme aus dem Büroumfeld ohne gegenseitige Beeinflussung am gleichen Netzwerk betreiben können. Das ist beispielsweise dann wichtig, wenn der Anwender Web-Technologien für die Bedienung und Diagnose der Applikation oder von Funk- Standards wie Wireless LAN oder Bluetooth für mobile Einsatzzwecke nutzen möchte. Die IEEE-Kompatibilität ist bei einigen der heute angebotenen Ethernet-basierten Kommunikationssysteme nicht gegeben. Die Protokolle nutzen die Ethernet- Physik, verändern sie aber zugunsten einer hohen Performance so stark, dass sie nicht mehr viel mit dem Standard der Bürowelt gemein hat.

Profinet: IEEE-kompatibles Ethernet-Protokoll

Das standardisierte Profinet- System bietet sich in solchen Fällen als Kommunikationslösung an. Durch die konsequente Nutzung von IEEE-Standards stellt Profinet einerseits eine maximale Durchgängigkeit zu den kommerziellen Systemen sicher. Andererseits ermöglichen kompatible Erweiterungen wie das Isochrone Realtime (IRT), dass die höchstmögliche Performance der Basistechnologie zur Verfügung steht. Das in den Arbeitkreisen der Profibus Nutzerorganisation (PNO) spezifizierte Profinet- System wird heute von vielen internationalen Automatisierungsanbietern unterstützt und weiterentwickelt.

Neben der Realtime-Variante, die sich bereits mit Standard- Ethernet-Technologie implementieren lässt und die der Leistungsfähigkeit heutiger Feldbusse entspricht, sind hochperformante Systeme für Motion- Control-Anwendungen auf Basis von IRT und entsprechenden Schnittstellen-Asics möglich. Mit Component Based Automation (CBA) gibt es darüber hinaus eine Lösung für die Verteilung von Automatisierungssystemen in Profinet, während sich über das Profisafe-Protokoll Daten sicherheitsgerichteter Teilnehmer parallel zu den Standard-Daten über Profinet übertragen lassen. Eine Informationstechnologie, die in der industriellen Automatisierung verwendet wird, ist das Link Layer Discovery Protocol (LLDP). Auf Basis von LLDP lassen sich Fehler in der Verkabelung und im System feststellen, sodass der Bediener Störungen genau lokalisieren und schnell beheben kann.

Funkbasierte Übertragung ist im Kommen

Zu den für die industrielle Anwendung adaptierten IT-Standards zählen auch funkbasierte Übertragungsverfahren wie Wireless LAN und Bluetooth, die Profinet transparent in mobilen oder temporär installierten Systemen übertragen. Während sich Bluetooth insbesondere zur Kommunikation in räumlich begrenzten Netzwerken eignet, bietet sich Wireless LAN zur Vernetzung verschiedener Systeme untereinander an. Die in der IEEE standardisierten Funk-Technologien erweisen sich gegenüber proprietären Lösungen als vorteilhaft, da sie über eine weltweit gültige Funkzulassung verfügen. Die einzelnen Hersteller müssen ihre Lösungen also nicht in jedem einzelnen Land mit viel Aufwand zulassen. Die genannten Beispiele unterstreichen die Bedeutung der Kompatibilität von automatisierungsspezifischen Lösungen zu den IEEE-Standards, denn nur so können die Mechanismen aus dem kommerziellen Umfeld nahezu unverändert in der Automatisierung eingesetzt werden. Dies ist eine Grundvoraussetzung für den durchgängigen Informationsfluss über alle Unternehmensebenen.

Maximale Durchgängigkeit zum Bürobereich

Neben den Kommunikations- Netzwerken setzt IT-powered Automation auch innerhalb der Geräte konsequent Informationstechnik ein. So werden die modernen Steuerungen auf Basis des Betriebssystems Windows CE aufgebaut. So lassen sich Compact-Flash- Karten als wechselbare Parametrierungsspeicher oder als Standard-Modems für den Remote- Service ohne großen Aufwand direkt aus der Steuerung heraus ansprechen. In den Steuerungen, den Switches als Netzwerkinfrastruktur sowie den I/O-Geräten befinden sich Web-Server zur Visualisierung der prozess- und geräteinternen Informationen sowie zur Parametrierung der Komponenten. Aufgrund der konsequenten Nutzung von Informationstechnik besitzen die Automatisierungslösungen von Phoenix Contact zahlreiche Vorteile: Mit IT-powered Automation steht ein leistungsfähiges und flexibles Automatisierungssystem zur Verfügung, das eine maximale Durchgängigkeit zu den Standard-Office-Systemen bietet. So sind Standardtechnologien wie Webserver zur Visualisierung oder Funkstandards in mobilen Anwendungen vollständig im System nutzbar. Darüber hinaus fließen Innovationen aus dem kommerziellen Umfeld in puncto Preis, Funktion und Performance schnell in die Automatisierungsprodukte ein. Damit bleibt die Automatisierungstechnik auch zukünftig Motor für die Steigerung der Produktivität im Maschinen- und Anlagenbau.

Martin Müller, Phoenix Contact/mk

Fakten

IT-Powered Automation

- Informationstechnik umfassend und konsequent als Basis für die Automatisierung nutzen

- Kernelement ist die Netzwerktechnik

- Durchbruch durch den Einbau von Microswitches in die Endgeräte

- Kompatibel zu Standards

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2008