Industrielle Bussysteme für den Maschinen- und Anlagenbau: Weniger bringt mehr!

Die direkt an den Bus anschaltbaren Sensor/Aktor-Komponenten, die über die hohe Schutzart IP67 verfügen, reduzieren nicht nur die Kosten (Total Cost of Ownership), sondern steigern darüber hinaus die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Flexibilität der gesamten Maschine und Anlage. Der Bus – was ist das? Unter System- oder Busfähigkeit versteht man den Aufbau eines Kommunikationsverbundes mit wenigen Leitungen, über die nicht nur Befehle gesendet bzw. empfangen, sondern auch Parametrierdaten sowie Fehler- und Statusmeldungen geschickt werden. Immer häufiger werden dezentralisierte Systeme eingesetzt, um die steigenden und komplexen Aufgaben in der Automatisierungstechnik zu erfüllen. Diese Einheiten tauschen im laufenden Produktionsprozess Informationen bzw. Daten untereinander aus. Der Austausch geschieht im zunehmenden Maße über Datenleitungen – vorwiegend Zwei-Draht-Busleitungen. Diese gewinnen in der industriellen Produktion wegen der preisgünstigen und einfachen Handhabung immer mehr Bedeutung. Erst der Datenaustausch über den Bus erlaubt die vollständige Nutzung von Automatisierungsgeräten und ihren Funktionalitäten. Sie verketten und koordinieren die verschiedenen Fertigungsstufen bzw. -ebenen miteinander. Die Vernetzung von Komponenten bedeutet, dass jeder Teilnehmer mit jedem anderen Teilnehmer kommunizieren kann. Das geschieht jedoch nicht gleichzeitig, sondern nach einem vorgegebenen Verfahren bzw. in einer festgelegten Reihenfolge. Geregelt wird das im Maschinenbau meist genutzte Buszugriffsverfahren Master-Slave (Polling). Parallele Ein- und Ausgabeinformationen auf der Sensor/Aktor-Ebene (Feldebene) werden in eine serielle Datenstruktur zur Übermittlung und Verarbeitung in speicherprogrammierbaren Steuerungen umgesetzt. Al­le Informationen liegen in binärer Form vor: – Low / High, d.h. – Kontakt offen / geschlossen – Lampe aus / an usw. Schaltelemente (Positionsschalter, Sensoren usw.) und einfache Verbraucher (Ventile, Anzeigen usw.) kennen nur zwei Zustände. Die Erfassung und Auswertung von mehrstufigen Signalen erfordert zur Datenübermittlung die Umwandlung in eine digitale Struktur. Über A/D-Wandler werden analoge Größen überwiegend in eine mindestens acht Bit Digitalinformation überführt. Der Rücktransfer dieser digitalisierten Information geschieht durch D/A-Wandler. Kommunikation in der Feldebene Das Ziel der Automatisierungstechnik besteht im Wesentlichen darin, bessere und schwankungsfreie Produktqualität zu günstigen Preisen effizient und umweltschonend herzustellen. Diesem Ziel kommt man mit modernen, netzwerktauglichen Steuerungen einen großen Schritt näher. Der Einsatz von verteilter Intelligenz vor Ort hat erhebliche Auswirkungen auf die Kosten einer automatisierten Produktionsanlage. Vorteile durch Einsatz der Bustechnik liegen deutlich erkennbar in folgenden Kostenbereichen: a)Die Investitionskosten zwischen der mit moderner Automatisierungs- und Bustechnik aufgebauten und einer herkömmlich, konventionell verdrahteten Anlage sind nahezu gleich. Durch die erhöhte Flexibilität und deutlich mehr Funktionen ist jedoch die Herstellung einer größeren Vielfalt von Produkten gegeben. b) Die Installations- und Inbetriebnahmekosten werden um bis zu 30% reduziert. Stark minimiert wird der Aufwand für Projektierung, Verkabelung, Dokumentation und Fehlersuche. Darüber hinaus sind erstmals Inbetriebnahme und Tests einzelner Anlagenteile möglich. c) Im Bereich der Produktionskosten erfolgt eine Kostenreduktion infolge Optimierung der Produktions- und Verfahrenstechnik. Neben der höheren Verfügbarkeit der Anlagen wird die Fehlproduktion gesenkt, was sich in einer Verbesserung der Qualitätssicherung bemerkbar macht. d) Ohne Mehraufwand stehen Fehlererkennungs- und Diagnosehilfsmittel zu Verfügung. Stillstandszeiten und Produktionsausfälle durch Störungen oder defekte Maschinenteile sind gezielt abfrag- und auswertbar. Eine Anzeigeeinheit oder Visualisierung dient meist der Signalisierung von Ort und Gerät. OSI-Referenzmodell – weltweit standardisiert und interoperabel Für die übersichtliche Darstellung und Einordnung der Dienste und Funktionen, die ein Kommunikationssystem zu erbringen hat, ist von der ISO (International Organization for Standardization) das OSI-(Open Systems Interconnection) Referenzmodell (ISO IS 7498) erstellt worden. Das Modell stellt das Rahmenwerk für eine offene Systemkommunikation dar. Es beschreibt die Struktur der Kommunikation zwischen der Anwenderebene (Schicht 7) und der Darstellung der Informationen auf den Datenleitungen (Schicht 1) in sieben Schichten. Die Beschreibung einer Kommunikation nach dem OSI-Referenzmodell, in der Schnittstellen, Dienste und Funktionen jeder Schicht definiert sind, ist ein Kommunikationsprotokoll. Die Schichten eins bis vier stellen die \’Transportschichten\‘ dar, die Schichten fünf bis sieben die \’Anwendungsschichten\‘. Netzwerke für den industriellen Einsatz im Feldbereich nutzen Dienste der Schicht 2 des ISO/OSI-Referenzmodells. Um Protokoll-Overhead und längere Bearbeitungszeiten zu vermeiden, setzt bei Feldbussen die Schicht 7 (Anwendungsschicht) direkt auf der Schicht 2 auf. Die Kommunikationsdienste der Schichten 3 bis 6 werden nicht benutzt. Die Kommunikationsdienste sind nach ihrer Funktionalität in Schichten eingeteilt. Datentransport in Kommunikationssystemen Den Transport von Informationen/ Daten übernehmen Bussysteme oder Netzwerke nach den Regeln ihrer Protokolle. Protokolle sind schriftliche Festlegungen über die technischen Details des Informationsaustausches. Zwischen einer Vielzahl von Stationen und Geräten erfolgt der Austausch von Informationen über Datenleitungen. Der Datentransport läuft nach eindeutig definierten und der Anwendung angepassten Regeln, dem Protokoll, ab. Dies ist notwendig, damit alle Informationen rechtzeitig und sicher zur Verfügung stehen. Sicherungsmechanismen vermeiden verfälschte Daten und Kollisionen der Telegramme auf den Busleitungen oder im Netzwerk. Die Interpretation der übermittelten Informationen ist Aufgabe der Anwendersoftware. Da sich die Anwendungen so gut wie kaum standardisieren lassen, bestehen definierte branchenorientierte Anwendungsprofile. Kommunikationssysteme erfüllen in ihrer jeweiligen Hierarchieebene die Aufgaben des Verteilens und Sammelns von Informationen für das Automatisieren und Betreiben von Anlagen. Als wesentliche Anforderungen gelten u.a. das Einhalten von Mindestzeiten, Verfügbarkeits- und Sicherheitskriterien sowie eine gewisse Mindestfunktionalität. Die Anforderungen an die Vernetzung der Sensor/Aktor-Ebene unterscheiden sich von denen der Prozessleitebene. Merkmale der Sensor/Aktor-Ebene sind u.a. die Zykluszeit (Reaktionszeit), Teilnehmeranzahl, Datenbreite bzw. Informationen pro Teilnehmer, Signalverarbeitung von digitalen oder analogen Größen, ereignis-, prioritätengesteuerte oder zyklische Abfrage. Im Bereich der Prozessleitebene finden Regelprozesse, Steuerungs- und Überwachungsfunktionen sowie Koordinierungsaufgaben statt. Anforderungen an ein Feldbussystem Bei dezentralen Lösungen mit einem Feldbus ist zwischen zwei unterschiedlichen Einsatzfällen zu differenzieren: dem Anschluss der Peripherie vor Ort und der Verteilung von Automatisierungsaufgaben. Unter dem Vor-Ort-Anschluss ist die direkte Verbindung von Ein- und Ausgängen an dem Ort zu verstehen, wo sie benötigt werden. Die Peripherie wird durch Ein-/Ausgabe-Baugruppen angeschlossen und ist über den Feldbus mit der dezentralen Steuerung verbunden. Dabei kommt es zu folgenden Ergebnissen: – geringerer Installationsaufwand durch kürzere Montage- und Verdrahtungszeiten – kurze Wege bei kritischen Signalen wie beispielsweise Analogwerte – höhere Genauigkeit durch digitale Datenübertragung – übersichtlichere Projektierung und Anlagenstruktur – einfachere Erweiterungen und schnelle, kurzfristige Änderungen Erweitertes Feldbussystem Auf der diesjährigen SPS/IPC/Drives (24. bis 26. November 2009) stellt die Stuttgarter Lapp Gruppe Erweiterungen in ihrem Unitronic Feldbusprogramm vor. Neben den aktiven Sensor/Aktor-Modulen für die weltweit gängigen Bussysteme und der dazu passenden Feldverdrahtung stehen jetzt auch Gateways für die Ankopplung an übergeordnete Ethernet-basierte Netzwerke zur Verfügung. Im Portfolio werden alle weltweit etablierten Feldbussysteme unterstützt. Das umfangreiche Produktsortiment bietet Sensor/Aktor-Module für AS-Interface, Profibus, CAN­open und DeviceNet. Mit standardisierter Anschlusstechnik und hoher industrieller Schutzart verbinden sie alle marktgängigen Sensoren und Aktoren für die perfekte Lösung der dezentralen Automatisierungstechnik im Maschinen- und Anlagenbau. Durch die schnelle und einfache Montage können selbst unter schwierigen Bedingungen die Installationskosten deutlich reduziert werden. Spezieller Fokus wird auf die eigens für AS-Interface entwickelten Geräte gelegt. Sie sind besonders für die wirtschaftliche Vernetzung von Sensoren und Aktoren im AS-i Netzwerk konzipiert. Die Geräte lassen sich schnell und sicher mit wenigen Handgriffen installieren. Hier stehen sowohl Module mit hoher Schutzart als auch für die Hutschienenmontage zur Verfügung. Die IP67 Variante bietet einen Verriegelungsmechanismus, der ohne Werkzeuge den Anschluss an die AS-i Flachbandleitung garantiert. Hierbei werden entsprechende verpolsichere Führungshilfen genutzt, die durch Einrasten die Geräte mittels Durchdringtechnik an die AS-i Leitung anschließen. Die Metallgehäuse der IP30 Geräte sind mit modularen Steckklemmen ausgerüstet. So kann je nach Anwendung Schraub- oder Federzug-Anschlusstechnik verwendet werden. Für die schnelle Verkabelung von Sensoren und Aktoren im Feld gibt es selbstverständlich auch ein umfangreiches Programm an Kabeln, T- und Y-Verteilern, Abschlusswiderständen, konfektionierbaren Steckern, sowie Sensor/ Aktor-Leitungen in den verschiedensten Ausführungen und Längen sowie passendes Zubehör. SPS/IPC/Drives: Halle 6, Stand 350