Modular automatisiert

Steuerung - Die PC-Technologie deckt bereits viele Anwendungsfelder flächendeckend ab. Das gilt für den Büro- und Heimbereich wie auch für die Automatisierung auf der Leitsystem- und Visualisierungsebene. Welche Anforderungen muss diese Technologie erfüllen, damit sie auch in der E/A-Ebene und bei Steuerungen nachhaltig wirken kann?

08. November 2005
Ein Bearbeitungszentrum, aufgeteilt in sinnvolle Module mit eigener Steuerungsintelligenz. Sie können über Interbus, Ethernet und Profinet untereinander kommunizieren.
Bild 1: Modular automatisiert (Ein Bearbeitungszentrum, aufgeteilt in sinnvolle Module mit eigener Steuerungsintelligenz. Sie können über Interbus, Ethernet und Profinet untereinander kommunizieren.)

Zwei Hauptanforderungen stehen im Mittelpunkt: Zum einen müssen sich eingesetzte Geräte flexibel an die jeweilige Automatisierungslösung anpassen. Dies ist wichtig, da jede Anlage spezifische Rahmenbedingungen und Charakteristika aufweist. Zudem ist es notwendig, in der Praxis in immer kürzeren Zeitabständen neue Prozesse zu implementieren, damit zusätzliche Produktvarianten gefertigt werden können. Die Anlagen werden also während ihres gesamten Lebenszyklus um zahlreiche Funktionalitäten erweitert.

Zum anderen scheint ein Umdenken im Hinblick auf die Nutzung modularer Strukturen erforderlich. In unterschiedlichen Leistungsklassen müssen Funktionen wie Antriebssteuerung und Sicherheitstechnologie integriert werden können. Gehäuseformen und Schutzklassen sind weitere Faktoren, die den Formfaktor beeinflussen.

Investitionsschutz

Da Planer und Betreiber bei jeder Modifikation einer Anlage möglichst viele Teile und Komponenten aus wirtschaftlichen Gründen wieder verwenden möchten, muss die Automatisierungsplattform flexibel gestaltet sein. Eng verbunden mit der geforderten Flexibilisierung ist die Dezentralisierung von Funktionen. Die Gesamtapplikation muss sich dann aus möglichst autarken Funktionseinheiten zusammensetzen, die jeweils über eine eigene Steuerung in unterschiedlicher Ausführung verfügen. Jede Steuerung wird separat programmiert, so dass sich die Komplexität der Programme reduziert.

Die Frage nach Aufbau und Optik einer flexiblen und modularen PC-basierten Steuerungsplattform kann nur allgemein beantwortet werden. Da Flexibilität die zentrale Anforderung an solche Lösungen ist, bietet Phoenix Contact im Rahmen des Automationworx-Systems ein breites Steuerungsprogramm in verschiedenen Leistungsklassen, Bauformen und Ausstattungen. Die Geräte können über Interbus, Ethernet und Profinet untereinander sowie mit überlagerten Systemen kommunizieren.

Auch wenn die Steuerungen nicht wie ein PC beschaffen sind, basieren sie auf dieser Technologie, die heute einer dedizierten Steuerung sowohl technologisch als auch wirtschaftlich durchaus ebenbürtig ist.

Profinet ist der Schlüssel

Werden Anlagen modular aufgebaut, kommt der Kommunikation eine besondere Bedeutung zu. Als »Nervensystem« der Anlage wird in der letzten Zeit immer häufiger der echtzeitfähige Ethernet-Standard Profinet eingesetzt, der als schneller Backbone zwischen den Modulen und Steuerungen fungiert. Damit nimmt Profinet eine Schlüsselstellung in der Automation ein.

Die Stärken von Profinet liegen zum einen in der skalierbaren Kommunikation auf einem Kabel und zum anderen in der Datenübertragung ohne Systemgrenzen bis hinunter in die Feldebene. Skalierbare Kommunikation auf einem Kabel deckt alle Anforderungen einer Anlage über Standard-Ethernet-Mechanismen ab. Die Kommunikation in Netzwerken reicht von kompletten Datensätzen über bestätigte Warnmeldungen bis zu einfacher E/A-Kommunikation in Form von Freigabesignalen zwischen Steuerungen. Mit einer Hardwareerweiterung erreicht Profinet Zykluszeiten im Bereich unter einer Millisekunde.

Eine Datenübertragung ohne Systemgrenzen bis in die Feldebene ist erforderlich, weil viele Endgeräte über Feldbussysteme an die Steuerungsebene angebunden werden. Dies wird sich vorerst nicht ändern, da Ether--net-basierte Lösungen Eigenschaften wie niedrige Anschaltkosten, einfachen Gerätetausch oder umfangreiche Diagnose derzeit noch nicht leisten können. Um den durchgängigen Informationsfluss zwischen Feldbussystemen wie Interbus, Profibus oder Profinet zu gewährleisten, ist ein Proxy-Konzept entwickelt worden.

Modularität vereinfacht

Durch die Kombination von flexibler PC-Technologie mit durchgängigem Profinet-System ist die technische Seite abgedeckt. Ein weiteres wichtiges Kriterium stellt die Engineering-Software dar, sie beeinflusst die Kosten einer Anlage zunehmend. Ziel muss es daher sein, die immer komplexer werdenden Systeme zu vereinfachen.

Dabei spielt die gesamte Wertschöpfungskette vom Angebot bis zur Inbetriebnahme eine Rolle. Erst wenn das Engineering modular aufgebaut ist, ergeben sich Kostenvorteile im gesamten Lebenszyklus der Anlage. Denn Module lassen sich im Angebot einfach zum Gesamtpreis zusammenrechnen. Außerdem können sie in Simulationswerkzeugen schnell zusammengeschaltet werden. Darüber hinaus sind weniger komplexe und daher überschaubare Module bei der Programmierung sowie beim Programmtest von Vorteil. Diese Zusammenhänge haben sich im Windows-Umfeld unter dem Begriff Objektorientierung bewährt. Viele Automatisierungslösungen basieren heute schon darauf. Dabei muss das Programmiersystem dezentrale Steuerungen mit modularem Aufbau optimal integrieren. Beim Programmieren sollte transparent sein, ob das Signal über ein Feldbussystem oder über Ethernet angebunden ist. Eindeutige Namen auf allen Ebenen, von den Geräten bis hin zum einzelnen Datenpunkt, erleichtern die Arbeit dabei deutlich. Ziel eines modularen IEC 61131-Programmiersystems wie PC Worx von Phoenix Contact ist es, genau diesen Anforderungen effektiv zu begegnen.

In der Praxis lassen sich dabei Einsparungen bei Programmierung und Inbetriebnahme von 30 Prozent erzielen. Neben direkten Einsparungen in der Engineering-Phase ergeben sich aus der Modularisierung weitere Kostenvorteile in der Betriebsphase. So sind die Umbauzeiten bei einem Produktwechsel oder die Rüstzeiten für eine Variantenumstellung oftmals geringer. Durch gekapselte Teilsysteme erhöht sich überdies die Verfügbarkeit des Systems.

Weitere Felder erschließen

Weil die PC-Technologie alle Eigenschaften für den Einsatz als dezentrale Steuerungsplattform besitzt, wird sie sich in der Automatisierung weitere Anwendungsfelder erschließen können. Flexibilität und Modularität sind hier die entscheidenden Faktoren, als künftiger weltweiter Kommunikationsstandard ist Profinet ein wichtiger Baustein dafür.

Eine modulare Automatisierung macht sich unter Kostengesichtspunkten deutlich bemerkbar, wenn dieser Ansatz über den gesamten Lebenszyklus einer Anlage durch Softwarewerkzeuge durchgängig unterstützt wird.

Robert Wilmes, Phoenix Contact

Erschienen in Ausgabe: 02/2005