Die Ethernet-Kommunikation wird bei industriellen Anwendungen immer beliebter. Sie ermöglicht den Informationsaustausch in Echtzeit zwischen Prozessanlagen und den auf Ethernet basierenden Management-Systemen der Firmen. Die Ethernet-Technologie bekommt immer mehr Zuspruch durch folgende Faktoren: – Höhere Geschwindigkeit gegen- über Protokollen mit geringerer Baudrate – Plangesteuertes Verhalten – Vielzahl an Hilfsmitteln, die zur Op- timierung von Netzwerken und zur Fehlerbehebung zur Verfügung stehen – Große Bandbreite an Konkurrenzanbietern und somit vielen Lösungsoptionen und Unterstützung – Viele geschulte Mitarbeiter, die sich mit der Technologie gut auskennen. Zusätzlich vereinfacht die Möglichkeit einer Überbrückung der existierenden Kommunikationsprogramme die Einführung von Ethernet, da nicht alles sofort ersetzt werden muss. Ethernet zur Integration von Regelungssystemen Bei einer Befragung von Ingenieuren antworteten diese häufig, dass sie davon ausgehen, dass Ethernet zukünftig zur Integration von Regelungssystemen verwendet wird. Bei der Folgefrage, welches der Protokolle zur Nutzung des Ethernets geplant ist, reagierten viele verwirrt, da sie nicht wissen, dass es tausende Protokolle gibt, die mit Ethernet kompatibel sind und zusammen mit den Ethernetnetzwerken arbeiten können. Bei dem Versuch, sich in dem Meer von Protokollen zurechtzufinden, ist es nur natürlich, dass man sich erst diejenigen anschaut, die einem vertraut sind und deren Funktionalität man von Büronetzwerken, von zuhause oder vom Internet kennt. Bei der Verwendung solcher Protokolle kann Ethernet den Zugang für externe Benutzer durch den Web-Browser und E-Mail erweitern. Für einen Ingenieur, der einen Prozess automatisieren soll, liegt die Schwierigkeit darin, ein Gerät mit dem anderen zu verbinden, um Automationsfunktionen zu integrieren. Ein Beispiel hierfür ist, dass ein Regler seinen Sollwert von einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) erhalten soll. Unterschiedliche Protokolle zur Automatisierung Zur Automatisierung eignen sich Ethernet-Protokolle wie z.B. HTTP. Es ermöglicht den Web-Browsern, Internetseiten zu zeigen. Mit SMTP hingegen können E-Mail-Nachrichten übermittelt werden. Diese Protokolle wurden zur Informationsübertragung via Ethernet entwickelt, jedoch bedarf diese Informationsform der Interpretation des Menschen. Ein Ziel der Automatisierung ist es, den Menschen von eintönigen Aufgaben wie Beobachten und Einstellen von Prozessrückmeldungen über Manometer und Thermostat, die vom Menschen interpretiert werden müssen, zu befreien. Ein weiteres Ziel ist auch die Verbesserung des Prozesses durch den Wegfall von menschlichem Einfluss, der Interpretationsvariationen und manchmal sogar Fehlinterpretationen des Prozesses beinhaltet. Was für die Automatisierung benötigt wird, sind keine Protokolle, die von menschlichen Augen interpretiert werden sollen. Stattdessen sollen die Protokolle so ausgelegt sein, dass Automatisierungsgeräte diese interpretieren können. Das folgende Beispiel einer Reglerautomation verdeutlicht dies. Reglerautomatisierung in einer Verpackungsmaschine Bei der Planung der Automatisierung einer Verpackungsmaschine für Süßigkeiten muss der Ingenieur nicht nur die Sequenz der Tütenfüllung, die Versiegelung und das Fallenlassen des Beutels in den Karton berücksichtigen, sondern auch die kritische Temperaturkontrolle des Schweißbalkens, der sicherstellt, dass die Süßigkeiten geschützt und frisch in dem versiegelten Beutel verpackt sind. Der Ingenieur muss also zusätzlich zur einfachen Handhabung auch die Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit des Prozesses in Betracht ziehen. Eine SPS mag für die sequenziellen Funktionen ideal sein, jedoch ist die genaue Regelung der Temperatur ebenso wichtig. Hier steht der Ingenieur der Verpackungsmaschine für Süßigkeiten vor einem Dilemma: Er kann die SPS direkt als Temperaturüberwachung einsetzten oder einen einzelnen Temperaturregler in Verbindung mit der SPS verwenden. Regelung der Temperatur mithilfe einer Steuerung Die Regelung der Temperatur mit einer SPS vorzunehmen, zieht mehrere Herausforderungen nach sich. Die Programmierung kann schwierig sein, was Kompetenzen erfordert, die vielleicht nicht vorhanden sind. Regelalgorithmen können andere Programmfunktionen stören, da sie Prozessbandbreiten einnehmen oder eine teurere SPS erfordern, die sonst nicht benötigt werden würde. Die Steuerung könnte nicht optimal sein, da einfache Ein-Aus-Algorithmen verwendet werden, die in einer SPS am einfachsten zu programmieren sind. Die Alternative, einen einzelnen Temperaturregler zu verwenden, löst diese Probleme. Automatische Ermittlung der Regelparameter Handelsübliche Regler enthalten hochentwickelte Regelalgorithmen und verfügen über eine automatische Ermittlung der Regelparameter. Manche Hersteller implementieren auch Algorithmen, die PID-Parameter, die auf den thermischen Veränderungen der Last basieren, dynamisch anpassen. Wird nur ein einzelner Regler in Verbindung mit der steuernden SPS verwendet, reduziert sich die Entwicklungszeit bis zum Serienstart. Die Regelungskompetenz ist dabei im Algorithmus eingebettet. Die Berechnungen und E/A-Aktualisierungen im Zusammenhang mit der Temperaturregelung werden von dem Prozessor des PID-Reglers übernommen. Das hält die Bandbreite der SPS für andere Aufgaben frei. Die Kommunikation zwischen dem einzelnen Regler und der SPS war jedoch in der Vergangenheit durch die verschiedenen Protokolle zeitaufwendig, kostspielig und schwierig. Wenn die SPS und der Regler nicht miteinander kommunizieren, benötigt die Maschine Bedienpersonal, um diese Funktionen zu integrieren. Temperaturregelung in Verpackungsmaschinen Angenommen eine Verpackungsmaschine für Süßigkeiten benutzt eine SPS, um das Produkt zu bewegen, und einen separaten Regler, um die Temperatur des Schweißbalkens zu kontrollieren. Die Anfrage nach Süßigkeiten steigt an; deshalb muss die Produktionslinie schneller arbeiten. Die Verschließung der Tüten muss dann schneller erfolgen, was einen höheren Temperatursollwert zur Folge haben kann. Wenn die SPS und der Regler nicht durch das Automatisierungssystem koordiniert werden, wenn sie also nicht miteinander kommunizieren, muss jemand die Temperatureinstellungen des Reglers manuell ändern. Ohne Kommunikation zwischen SPS und Regler ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass die Temperatureinstellungen nicht korrekt und die Süßigkeiten in der Verpackung nicht richtig verschweißt sind. Einzelne Temperaturregler mit Ethernet-basierten Protokollen Wenn die Güte der Regelkreise Priorität hat, bevorzugen Ingenieure oftmals einzelne Temperaturregler. Sie werden auch eingesetzt, wenn die SPS-Anwendung durch die Einbindung des Reglers negativ beeinflusst wird. In der Vergangenheit waren jedoch die Kosten und die Schwierigkeit, den Regler zu integrieren, eine große Hürde. Heute existiert diese Barriere nicht mehr. Viele Hersteller industrieller SPSen und Temperaturregler unterstützen offene (nicht geschützte) Ethernet-basierte Protokolle. Das vereinfacht die Integration und reduziert deren Kosten. Ein solches Protokoll ist Ethernet/IP. Die \’Open Devicenet Vendors Association\‘ (ODVA) sponsert sowohl Devicenet als auch Ethernet/IP. Laut der Organsiation ist Ethernet/IP ein Mitglied einer Familie von Netzwerken, die das Common Industrial Protocol (CIP) als obere Ebene der Kommunikation verwendet. CIP umfasst eine Gruppe von Meldungen und Leistungen für Automationsanwendungen in der Produktion, inklusive Steuerung, Sicherheit, Synchronisation, Bewegung, Konfiguration und Information. Ethernet/IP bietet Anwendern Werkzeuge zur Nutzung der Ethernet-Technologie für Produktionsapplikationen bei gleichzeitiger Verbindung zum Internet und zum Unternehmensnetzwerk. Die Verwendung von Ethernet/IP vereint die Vorteile von Ethernet-Netzwerken und von CIP, was für die Kommunikation von Gerät zu Gerät konstruiert wurde. Die Vorteile beinhalten: – Explizite Meldungen – sie ermöglichen eine Konfiguration der Geräte über das Netzwerk. Beim Austausch von Hardware kann ein Gerät automatisch erkannt und vollständig konfiguriert werden. – Implizite Meldungen ermöglichen eine effiziente Kommunikation von Daten und Anweisungen von einem Gerät zu einem anderen, oder von einem Gerät zu einem Netzwerk, auf das viele zugreifen. Das reduziert Netzwerkauslastung und Programmierarbeit beim Netzwerkbetreuer. Gleichzeitig wird die maximal mögliche Geschwindigkeit über Ethernet genutzt. – Sicherstellung der Kompatibilität. Die Zertifizierung des verwendeten Gerätes durch ODVA bedeutet für den Anwender weniger Probleme bei der Verbindung von Geräten verschiedener Hersteller in einem Netzwerk. – Bessere Integration anderer mit Ethernet/IP-kompatiblen Geräte wie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) oder Touch- screens als Mensch-Maschinen-Schnittstellen (HMI). Ethernet/IP ermöglicht die Integration verschiedener Komponenten, wie SPS und Temperaturregler, in effektiven und effizienten Regelungssystemen. Beispiele für unterschiedliche Temperaturregler Ein Beispiel für einen Temperaturregler, der für solche Automationslösungen konstruiert wurde, ist der EZ-Zone PM-Regler von Watlow. Damit hat der Ingenieur die Möglichkeit, einen Regler zur Frontplattenmontage als PID-Regler mit Lastausgang oder als separaten Grenzwertregler (Über- oder Unterschreitung) zu konfigurieren. Außerdem können diese Funktionen zu einem integrierten Regler kombiniert werden. Der EZ-Zone PM bietet unterschiedliche Kommunikationsprotokolle, inklusive Ethernet/IP, Devicenet, Modbus RTU und Modbus TCP. Durch diese Protokolle kann einfach zu einem PC, einer SPS, oder HMI verbunden werden. Dadurch kann der Anwender das Verhalten des Systems auch aus der Ferne konfigurieren, steuern und überwachen. Der Temperaturregler eignet sich für Anwendungen, bei denen der Platz gering ist und ein 1/16 DIN-Regler zur Frontplattenmontage benötigt wird. Ein weniger überladener Schaltschrank mit einer geringeren Anzahl an Verbindungen und Einzelkomponenten sowie einer besseren Regelkreisüberwachung durch Fehlermeldungen bietet weitere Vorteile für den Benutzer. Der Regler verringert Design- und Aufbauzeiten, benötigt weniger Platz, reduziert die Systemkomplexität und verringert die Betriebskosten. Ein weiteres Beispiel ist der integrierte, modulare Mehrkanalregler EZ-Zone RM, der mit 1 bis 16 Modulen konfiguriert werden und bis zu 64 Zonen regeln kann. Der Regler bietet u.a. PID-Regelkreise, thermische Begrenzungen zur Sicherheit, einen Relaisausgang für Leistungsschaltung bei hoher Strombelastung und separate digitale Ein-/Ausgänge. Modulare Reglerlösung bietet Flexibilität für den Anwender Die modulare Lösung bietet dem Endverbraucher und den Ingenieuren des Erstausrüsters die Flexibilität, viele verschiedene Lösungen aus einem Satz an Baukastenteilen zusammenzustellen. Die Modularität steht auch für die Anschlussmöglichkeiten zur Verfügung. Ein System, das aus 1 bis 16 Regel- und Ein-/Ausgangs Erweiterungsmodulen besteht, kann mit einem Zugriffsmodul kombiniert werden, das die gleichen Protokolle wie der EZ-Zone PM zur Verfügung stellt: Ethernet/IP, Modbus RTU, Modbus TCP und Devicenet. Der EZ-Zone RM ist mit seinen vom Benutzer konfigurierbaren Funktionen in hohem Maße programmierbar, inklusive Sensor-Sicherung, Ablaufsteuerung, Effektivwert, Mittelwertbildung des Sensors, Profilierung usw. Die Flexibilität ermöglicht es dem Regler, weitaus mehr zu leisten als ein PID-Temperaturregler in einer Maschine und macht den Informationsaustausch mit anderen Geräten des Systems umso wichtiger. Ethernetverbindung für bereits existierende Geräte Das EM-Gateway ermöglicht eine Ethernetverbindung für bereits existierende Geräte, die mit den Modbus RTU-Protokollen in einem RS485-Netzwerk kommunizieren. Außerdem stellt es eine schnelle, praktische und günstige Möglichkeit dar, Regler mit dem Ethernet zu verbinden, indem die Kommunikation von Modbus RTU über RS485 zu Modbus TCP über Ethernet überbrückt wird. Zudem dient das EM-Gateway als Webserver für unterstützte Regler und ermöglicht somit die Überwachung der Prozessvariablen und Alarme aus der Ferne. Der Anwender kann also die Sollwerte für den Temperaturregler über den Internetbrowser aus der Ferne einstellen. Beispielsweise kann bei Alarmauslösung eines unterstützten Reglers eine E-Mail an den Anwender gesendet werden. Die Funktionen der Ethernetprotokolle sind eine Erweiterung der Benutzeroberfläche. Sie erleichtert die Überwachung des Prozesses und der Geräte für Bediener und Aufsichtspersonal. Bei Lösungen für die industrielle Automatisierung überbrückt das Gateway beispielsweise den Informationsaustausch einer SPS, die Modbus TCP über Ethernet unterstützt, und einem RS485-Netzwerk mit Geräten, die über Modbus RTU kommunizieren. Mit solchen Produkten können Ingenieure anfangen, ihre Netzwerke umzustellen und ihre Vision einer Zukunft mit Ethernet umzusetzen ohne alles auf einmal ersetzen zu müssen. Ferngesteuerter Zugriff über Ethernet-Lösungen Trotz vieler Möglichkeiten zur Integration von Geräten in Automationslösungen ist klar, dass Ethernet in absehbarer Zukunft eine bedeutende Rolle spielen wird. Es gibt viele Optionen bei Ethernetprotokollen. Manche bieten bessere Funktionalität für ferngesteuerten Zugriff des Anwenders, andere mehr Funktionalität bei der Integration von Geräten. Das Aufkommen von offenen Protokollen wie Ethernet/IP ermöglicht es den Ingenieuren, die Vorteile von Ethernet in industriellen Anwendungen zu nutzen. Die umfassende Unterstützung durch die Anbieter solcher Protokolle ermöglichen es dem Ingenieur, das beste Gerät für die jeweilige Aufgabe herauszusuchen, ohne die Benutzerfreundlichkeit aufzugeben, die ein voll integriertes Regelsystem mit sich bringt.
Watlow GmbH
