03.09.2014

Ethercat-Busklemmen:

Messtechnik und Condition Monitoring integriert

Ethercat wird nicht nur als Kommunikationsstandard in der industriellen Automatisierung, sondern auch als Messtechnik-Feldbus eingesetzt und bildet damit die Grundlage zur Integration von Messtechnik und Condition-Monitoring-Systemen in die Maschinensteuerung.

Autor: Pascal Dresselhaus, Produktmanager TwinCAT, Beckhoff Automation


Für Industrie-Kunden ist, neben der hohen Durchlaufgeschwindigkeit, die Effizienz ihrer Produktionsanlage entscheidend. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, wird der Automatisierungsgrad von Maschinen kontinuierlich erhöht und Subsysteme für einzelne Teilaufgaben, wie das Condition Monitoring, werden integriert. Durch den Einsatz von Ethercat wird nicht nur die Forderung nach mehr Performance erfüllt, sondern auch die Effizienz der Maschine gesteigert, ohne dass in separate Subsysteme investiert werden muss. Womit nicht nur die Anschaffungskosten, sondern auch die Kosten für systemspezifisches Know-how und Engineering gemeint sind. Condition-Monitoring-Systeme (CMS) sind ein gutes Beispiel. Diese werden klassischerweise zur Überwachung von mechanischen und elektrischen Komponenten in Maschinen und Anlagen eingesetzt.

Hardware zur Messdatenerfassung als Kostenfaktor

Ein herkömmliches CMS verhält sich dabei wie eine Blackbox als Subsystem in der Anlage. Dadurch, dass Spezial-Hardware zur Messwerterfassung benötigt wird, sind die Systeme in der Regel nicht nur teuer, sondern auch unflexibel. Zudem erhöht sich der Entwicklungsaufwand, da der Anwender, neben dem Know-how für die eigentliche Steuerungsplattform, auch Erfahrungen im Umgang mit dem CMS benötigt. Zudem muss eine aufwändige Querkommunikation zwischen Steuerung und CMS realisiert werden, um auf Alarmmeldungen entsprechend reagieren zu können. Im besten Fall handelt es sich dabei um standardisierte Kommunikationsschnittstellen, doch häufig sind nur herstellerspezifische Interfaces vorhanden.

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Einsatz von Ethercat macht Subsysteme überflüssig

Durch den Einsatz von Ethercat werden immer mehr Subsysteme überflüssig, da die Funktionen in die eigentliche Steuerung integriert werden. Basis hierfür ist das Funktionsprinzip von Ethercat, das Nutzdatenraten von weit über 90% mit Voll-Duplex-Fast-Ethernet und Buszykluszeiten von wenigen Mikrosekunden ermöglicht. Mit dem Oversampling-Konzept, dem Zwischenspeichern von Messdaten direkt im Ethercat-Slave, lassen sich die Abtastraten weit über den eigentlichen Buszyklus hinaus steigern. Verteilte Uhren in den Ethercat-Slaves, die sogenannten Distributed Clocks, sorgen für eine netzwerkweite, zeitlich synchronisierte Messwerterfassung. Der Jitter liegt deutlich unter einer Mikrosekunde, meistens sogar unter 100ns.

Hochgenaue Messtechnik über Ethercat-Klemmen

Beckhoff nutzt die Ethercat-Eigenschaften zur Entwicklung von immer neuen Messtechnik-I/Os. U.a. gibt es Busklemmen für die Temperaturmessung, die Wägezellenauswertung, die Strom- und Spannungserfassung, die Schwingungsüberwachung und diverse Analogsignale wie ±10V oder 0...20mA. Neu sind die Werkskalibrierzertifikate von Beckhoff für die Ethercat-Klemmen. Sie dienen der Qualitätssicherung, insbesondere wenn die Klemmen Teil einer Messkette sind und hohen Anforderungen bezüglich der Reproduktion und Nachvollziehbarkeit von Messergebnissen unterliegen. Das Zertifikat dokumentiert die momentane Messabweichung zum Produktionszeitpunkt; durch die exakte Definition der gesamten Messkette werden Messunsicherheiten reduziert.

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Condition Monitoring integriert sich nahtlos

Neben Ethercat und den hochpräzisen Messtechnik-Busklemmen ist die immer leistungsfähigere PC-basierte Steuerungstechnik von entscheidender Bedeutung, um Condition-Monitoring-Systeme direkt und nicht über Subsysteme zu betreiben. Bei High-Performance-Geräten, wie dem Embedded-PC CX2040 von Beckhoff, sind Quad-Core-CPUs vom Typ Intel Core i7 mit 2,1GHz im Einsatz. So ist selbst bei komplexen Steuerungsaufgaben noch genügend Performance zur Analyse von Messwerten vorhanden.

Automatisierungs-Software optimiert die Messdatenverarbeitung

Mit der Automatisierungs-Software Twincat 3 ist der Anwender in der Lage, einzelne Programm-Tasks auf unterschiedliche Kerne der CPU zu verteilen. Möchte er beispielsweise seine Messwerte durch rechenintensive Algorithmen beurteilen lassen, so kann er einen eigenen Analyse-Task definieren und diesen auf einem separaten Kern der CPU laufen lassen. Des Weiteren bietet Twincat 3 für die Messdatenverarbeitung eine Condition-Monitoring-Bibliothek für SPS-Programmierer. Als Software-Baukasten konzipiert, können Anwender, je nach Applikation und Wissensstand, zwischen mathematischen Basis-Algorithmen oder Anwenderbausteinen auswählen:

  • • Basis-Algorithmen aus den Bereichen Analyse, Statistik und Klassifikation werden u.a. durch Bausteine für Fast-Fourier-Transformationen, Einhüllende, Kurtosis, Crest Factor, RMS und Grenzwertüberwachung repräsentiert. Damit steht dem Anwender die volle Bandbreite an Basis-Algorithmen für die eigene Analysekette zur Verfügung.
  • • Einen Schritt weiter in Richtung Applikation gehen die Anwenderbausteine. Diese setzen sich aus den Basis-Algorithmen zusammen und kapseln beispielsweise die Algorithmen, welche für eine Wälzlagerüberwachung notwendig sind. So kann der Anwender den Baustein mit Lagergeometriedaten konfigurieren und Grenzwerte teachen. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, Detailkenntnisse der intern ablaufenden Berechnungen zu haben.

Es können beide Typen von Bausteinen in einem Programm verwendet werden; sie schließen sich gegenseitig nicht aus. Grundsätzlich können die Bausteine der Bibliothek in Multitask- und Multi-Core-Systemen eingesetzt werden. Der Anwender muss sich dabei nicht um Speicherzugriffe oder ähnliches kümmern. Die Analysekette wird anhand von IDs aufgebaut. Somit sind die Bausteine auf einfache Art und Weise miteinander zu verknüpfen. Es spielt quasi keine Rolle, in welchem Task oder auf welchem Core einer der Bausteine aufgerufen wird. Im Fall der klassischen Schwingungsanalyse liefert die Ethercat-Busklemme EL3632 (IEPE-Schnittstelle mit maximal 50kSps) die Rohdaten der Maschinenschwingungen. Die Daten der Klemme werden durch eine eindeutige ID gezielt an Algorithmen- oder Anwenderbausteine weitergegeben. Dadurch baut sich die Analysekette auf. Da der Twincat-3-Nutzer auf diese Weise die volle Datenkontrolle hat, kann er selber entscheiden, welche Daten tatsächlich abgespeichert werden sollen: Rohdaten, Zwischenergebnisse, Endergebnisse oder lediglich Statuswerte in Form einer Ampel. Für den Datenaustausch zwischen SPS und Datenbank sorgt der Twincat Database Server.

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Anwendungsgebiete für integriertes Condition Monitoring

Für die beschriebene Hard- und Software gibt es natürlich eine Vielzahl von Anwendungsgebieten. Neben der klassischen zustandsorientierten Maschinenüberwachung kann beispielsweise im Bereich der Energietechnik eine Netzqualitätsüberwachung realisiert werden. Viele Szenarien ergeben sich auch für die Prüfstandstechnik. Für alle Anwendungsgebiete ist es ein wesentlicher Vorteil, wenn die Analyse direkt in der Steuerung erfolgt. So kann der aktuelle Betriebszustand von Maschinen und Anlagen vollständig und unmittelbar in der Messwertanalyse berücksichtigt werden. Eine Querkommunikation zu Subsystemen entfällt; es gibt nur ein Feldbussystem: Ethercat. Neben dem hohen Integrationslevel, sind die Skalierbarkeit der Software-Bausteine und der Ethercat-Standardkomponenten sowie ein vereinfachtes Engineering als Vorteile anzuführen. Damit wird der Einsatz eines Condition-Monitoring-Systems selbst für sehr kleine Maschinen - und preissensible Anwendungen - rentabel.

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