03.04.2013

Dezentrale und modulare Steuerungsarchitekturen für die Automatisierung der Zukunft

Mechatronisch arbeiten - in Modulen denken

Moderne Konzepte und Ansätze wie Industrie 4.0 setzen auf Maschinen und Anlagen, mit denen ressourcenschonend und effizient möglichst individuelle Produkte produziert werden können. Um schnell Änderungen vornehmen zu können und um Engineering-Prozesse zu vereinfachen sowie die Wiederverwendbarkeit der einzelnen Einheiten zu steigern, legen Konstrukteure das Augenmerk auf einen modularen Aufbau von Maschinen und Anlagen. Dazu werden diese in funktional eigenständige Module zerlegt, sogenannte mechatronische Einheiten. Eine konsequent verteilte Architektur bietet einerseits viele Freiheitsgrade, stellt aber andererseits auch neue Anforderungen an die Anwender.

Autor: Markus Schlögl, Bereichsleiter Produktmanagement Operating and Monitoring Systems, Software Tools, P


Die Mechatronik verfolgt die Philosophie, durchgängig alle am Entstehungsprozess einer Maschine beteiligten Disziplinen zusammenzuführen: Mechanik, Elektrik und Automatisierungstechnik. Durchgängig definiert dabei das Zusammenspiel diverser automatisierungstechnischer Einzelkomponenten, Software-Tools und dazugehöriger Services zu einer Automatisierungslösung. Diese Durchgängigkeit erstreckt sich über die vier Ebenen der Automatisierungspyramide (Managementebene, Betriebsführungsebene, Steuerungsebene und Feldebene). In der Mechanik drückt sich dies in Form von eigenständigen Funktionseinheiten aus, die sich dementsprechend auch in der Steuerungstechnik wiederfinden sollten, und zwar unabhängig davon, ob Module von einem oder mehreren Herstellern erstellt wurden. Hier stoßen heutige Systeme an ihre Grenzen: Was mechanisch und elektrisch bereits Realität ist, bleibt auf der Steuerungsebene noch häufig eine Wunschvorstellung. Dort herrschen bis heute zentralistisch ausgelegte Steuerungsarchitekturen vor. @ATLAS Zwischenüberschrift:Zentrale Steuerungen @ATLAS Zwischenüberschrift:ohne Flexibilität

Die gesamte Steuerungsfunktion ist in einer (oder wenigen) zentralen Steuerungen 'beheimatet' und kommuniziert mit einfachen Feldgeräten, deren Hauptfunktion das Einsammeln und Ausgeben von Prozessdaten ist. Mit solchen zentralistisch ausgelegten Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) können die Vorteile einer Modularisierung nicht ausgeschöpft werden: Änderungen in einzelnen Anlagenteilen verursachen einen hohen Aufwand auf Steuerungsebene, da Programmstrukturen an zentralen Stellen der Steuerung verändert werden müssen. In Bezug auf Flexibilität und Anwenderfreundlichkeit werden klassische zentrale Automatisierungsarchitekturen mit monolithischen SPS-Steuerungen den zukünftigen Anforderungen nicht mehr gerecht. Während bei Maschinenteilen, die über zentrale, leistungsstarke Steuerungssysteme miteinander kommunizieren, die Inbetriebnahme einzelner Module sehr schwierig ist, bedeutet der Einsatz lokaler Steuerungen einen höheren Aufwand bei der Erstellung der Kommunikation zwischen diesen. Anzahl und Anordnung der Steuerungseinheiten sollten sich aber idealerweise am mechatronischen Aufbau orientieren. In zentralistisch aufgebauten Steuerungssystemen müssen diese Punkte vor Beginn der Konstruktion geklärt sein, um nachträgliche Änderungen und einen erheblichen Mehraufwand zu vermeiden. @ATLAS Zwischenüberschrift:Intelligenz verteilen und Handhabung vereinfachen

Für die Automatisierung der Zukunft sind daher Lösungen gefragt, die zum einen in der Lage sind, Steuerungsintelligenz zu verteilen und zum anderen gewährleisten, dass die notwendige Vernetzung mehrerer Steuerungen für den Anwender einfach zu handhaben bleibt. Mit modernen Automatisierungsstrukturen entstehen weitgehend autarke Zellensteuerungen, die untereinander im Verbund agieren können. Zentrale Idee ist die Verschmelzung der verschiedenen Teilbereiche wie Standard-Automation und Sicherheit. Prozess- oder Steuerungsdaten, Fail-safe-Daten und Diagnoseinformationen werden über Ethernet ausgetauscht und synchronisiert. Im Gegensatz zu zentralen SPS-Steuerungen spielt es für die Steuerungsfunktion keine Rolle, wo der zugehörige Programmteil abgearbeitet wird. Statt einer zentralen Steuerung, steht dem Anwender ein zur Laufzeit verteiltes Anwenderprogramm in einem zentralen Projekt zur Verfügung. Über dieses zentrale Projekt werden alle Netzteilnehmer konfiguriert, programmiert und diagnostiziert. So ist ein einfaches, einheitliches Handling im Gesamtprojekt möglich. Die Vorteile zeigen sich in einer höheren Verfügbarkeit durch lokale Fehlerreaktionen sowie einer höheren Produktivität infolge kürzerer Reaktionszeiten des Gesamtsystems. @ATLAS Zwischenüberschrift:Geringe Kosten und hohe Wiederverwendbarkeit

Werden Steuerungsfunktionalitäten dezentralisiert ergeben sich Vorteile in zwei Bereichen: Zum einen ermöglicht die Dezentralisierung der Peripherie den Verkabelungsaufwand und die damit verbundenen Kosten zu reduzieren. Zum anderen lassen sich aber auch identische Steuerungsprogramme und -teilfunktionen dezentralisieren, was wiederum die komplette Modularisierung in Form von Maschinenelementen ermöglicht. Ziel dabei ist es, möglichst viele Teile identisch wiederverwenden zu können. So lassen sich Automatisierungsprojekte einfacher standardisieren. Dies ermöglicht dem Anwender darüber hinaus einen sehr hohen Freiheitsgrad, da jedes dezentrale E/A-System auch nachträglich um Steuerungsfunktionen erweitert werden kann. Dies kann gleichsinnig oder unabhängig für die Standardfunktionen alleine - oder gemeinsam mit den Sicherheitsfunktionen geschehen. Um die oben beschriebenen Vorteile voll ausschöpfen zu können, stellen verteilte Steuerungssysteme auch neue Anforderungen an Konstruktion und Projektierung von Automatisierungsprojekten: Sie unterscheiden sich grundlegend von einer klassisch zentralen Architektur. Die Aspekte Modularität und Wiederverwendbarkeit müssen bereits in der frühesten Planungsphase intensiv einbezogen und berücksichtigt werden. Bislang wird mit der Software-Entwicklung erst begonnen, wenn feststeht, wie eine Maschine aussehen soll. Die Auswahl der Hardware ist also zwingend zu Beginn der Projektierung/Programmierung erforderlich. Nachträgliche Änderungen um auf eine andere Leistungsklasse zu wechseln oder erweiterte Aufgabenstellungen sind nachträglich nur sehr aufwändig möglich, da das bis dahin geschriebene Programm direkt auf die Hardware zugreift. @ATLAS Zwischenüberschrift:Paralleles Engineering

Wenn erst nach der Programmerstellung die Zielhardware gewählt werden kann, legt sich der Programmierer nicht von Anfang an auf eine Hardware mit ihren spezifischen Eigenschaften fest. Wenn sich im Laufe des Programmierens der Anlagenfunktion eine Hardware als doch nicht geeignet erwies, mussten Anpassungen im Programm vorgenommen werden, da die neu gewählte Hardware andere Eigenschaften mit sich brachte. Durch die hardwareunabhängige Programmierung einer Anlage entfällt diese Querbeziehung und es entsteht die dringend benötigte Flexibilität im Engineeringprozess. Wird mechatronisch gedacht und konzipiert, können alle an einem Automatisierungsprojekt beteiligten Fakultäten bereits nach der initialen Projektabstimmung ihre konkrete Arbeit beginnen: System- und Hardwareentwicklung können also parallel arbeiten. Durch die parallele Vorgehensweise kann Projektierungszeit gespart werden. Nur in einzelnen Schritten ist die Synchronisation beider Aufgabenfelder noch erforderlich. Bei der Auswahl von Steuerungskomponenten für die Hardware gilt es bisher, gewisse Randkriterien zu beachten: wichtig ist, welche Taktzeit eine Maschine erreichen muss und wie die Bedien- und Beobachtungsstruktur, also Ort und Anzahl der HMI-Geräte, auszuschauen hat. Auch in Betracht gezogen werden muss die Struktur der Automatisierungsgeräte, sprich der Speicherprogrammierbaren Steuerung. Soll beispielsweise jedes einzelne Maschinenmodul eine SPS erhalten oder sollen mehrere Stationen von einer gemeinsamen Steuerung bedient werden? All dies sind Punkte, die üblicherweise zwingend vor der eigentlichen Auslegung geklärt sein müssen, damit sie nicht einen erheblichen Aufwand in Bezug auf nachträgliche Änderungen nach sich ziehen. Sobald die Funktionen einer Maschine durch die Bildung von Komponenten in Bibliotheken standardisiert sind, genügen erste Informationen über die zu erstellende Maschine, um letztlich die Gesamtstruktur aufbauen zu können. Für den Konstrukteur wird es möglich, sich auf die Planung der für den Prozess notwendigen Komponenten zu konzentrieren; Performance- und Strukturthemen sind weitgehend unabhängig voneinander zu betrachten und treten - wenn gewünscht - noch weiter in den Hintergrund. Die detaillierte Funktion einer Komponente kann zu einem späteren Zeitpunkt über die individuellen Eigenschaften festgelegt werden. Auf dem Weg in die Zukunft der Industrie sind Modularisierung und Dezentralisierung zwei der wichtigsten Erfolgsfaktoren. Voraussetzung dafür sind Automatisierungssysteme, die in der Lage sind, die in den mechatronischen Einheiten verteilte Intelligenz zentral und anwenderfreundlich zu verwalten. Anlagen lassen sich dann in übersichtliche, selbstständig arbeitende Einheiten zerlegen. Aufwände für Engineering, Inbetriebnahme und Wartung lassen sich deutlich reduzieren. Auch der Grad der Standardisierbarkeit von Teilen von Maschinen und Anlagen steigt, sodass sich diese flexibel und schnell auf veränderte Kundenwünsche anpassen lassen.

Anzeige