Alles durchgängig

Digitale Fabrik - Die deutsche Automatisierungsbranche wächst. Alles spricht für durchgängige Automation und Kommunikation in Unternehmensprozessen. Das Modell der Digitalen Fabrik macht Schule.

14. Dezember 2005

Nach Zahlen des ZVEI für das Jahr 2004 konnte die deutsche Automatisierungsbranche einen Umsatzzuwachs von 5,5 Prozent auf 34 Milliarden Euro verzeichnen und lag erneut über der Bilanz des Gesamtverbandes. Auf das Inland entfielen dabei 3 Prozent, im Ausland betrug das Wachstum fast 9 Prozent. Zentrales Thema ist derzeit die Durchgängigkeit in Automation, Kommunikation und Unternehmensprozessen. Die Automatisierung soll vor allem zur Verbesserung und Optimierung von Fertigungsprozessen und Unternehmensabläufen dienen.

Der Internet-PC verliert an Boden

Wesentliche Komponenten der Automatisierung sind Speicher programmierbare Steuerungen (SPS). Der Weltmarkt wächst nach Einschätzung von US-Marktforschern von rund sechs Milliarden Euro im Jahr 2004 auf etwa 7,7 Milliarden Euro im Jahr 2009. Diese Entwicklung ist einer neuen Attraktivität der Geräte zu verdanken, die technisch aufgeholt haben und heute über Web-Server und Ethernet-Konnektivität verfügen. Die Nachfrage nach offenen Standards, modularer Architektur und umfassender Softwareunterstützung ebne der SPS den Weg zum Programmierbaren Automation Controller (PAC), so die Marktforscher. An Boden verlieren Industriecomputer.

Laut Umfragen wächst deren Markt in den USA und Europa lediglich um 50 Millionen Euro, von rund 400 Millionen Euro im Jahr 2003 auf 450 Millionen Euro im Jahr 2006. Bei Echtzeit-Betriebssystemen sieht erwartet - von 55 auf 100 Millionen Euro in drei Jahren. Interviews mit Endanwendern hätten gezeigt, dass jetzige Linux-Entwickler in früheren Projekten meist Windows CE/Net oder Windows XP Embedded sowie Vx Works präferierten. Linux hingegen biete die geeignete Kombination aus freiem Quellcode und eigenen Steuerungsalgorithmen, bei geringen Lizenzkosten.

Kontron ist einer der von Deutschland aus agierenden Hersteller von Industriecomputern. Unlängst stellte Kontron aus den Hutschienen-IPC ThinkIO-P mit Mobilprozessoren von Intel vor. Aufgrund der relativ geringen elektrischen Verlustleistung dieser Prozessoren ist kein Lüfter erforderlich, selbst bei einer Umgebungstemperatur von 55°C im Schaltschrank. Die formschlüssige Anbindung der intelligenten Klemmen des Wago-Systems 750 bietet dem Anwender viele Freiheitsgrade. Aufgesteckte E/A-Module werden automatisch erkannt und so eine Steuerungsplattform bis hin zu einer Soft-SPS aufgebaut. Einsatzgebiete sieht Kontron in mittleren bis komplexen industriellen Maschinen- und Anlagensteuerungen mit Windows oder Linux.

Mehr Software und Sicherheit

Die Software spielte in der Vergangenheit eher eine untergeordnete Rolle. Lediglich funktionale Aspekte wurden in der Regel betrachtet. Die Struktur der Software sowie Maßnahmen und Techniken, die zur Vermeidung und Beherrschung von Fehlern und Ausfällen führen, sind erst durch die IEC 61508 zum festen Bestandteil der Prüfung geworden. Einen ersten Standard für sicherheitsbezogene Funktionsbausteine erarbeiten derzeit mehrere Interessengruppen im Arbeitskreis ›TC5 Safe Software‹ der PLC Open, in dem Prüfstellen und fast alle führenden Anbieter von Sicherheitssteuerungen und Programmiertools vertreten sind. Ziel ist es, für Maschinensteuerungen einen internationalen Marktstandard für Sicherheitssoftware zu etablieren. Ende 2005 wird die erste Version erwartet. Eine Voraussetzung für die Zertifizierung nach PLC Open ist das V-Modell. Das Vorgehensmodell regelt detailliert, welche Tätigkeiten zu welchem Zeitpunkt in einem Softwareprojekt erforderlich sind. Es wurde ursprünglich im Auftrag des Bundesministeriums für Verteidigung von der Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH (IABG) in Ottobrunn erstellt. Seit 1996 ist es im Bundesministerium des Innern für den Bereich der Bundesverwaltung verbindlich. Nach der Anpassung an neue Technologien wie inkrementelle Systementwicklung und Objektorientierung soll die Version XT vom Januar 2005 nun sehr gut an Projektanforderungen anzupassen sein.

Sicherheitsbausteine

Die PLC Open hat derzeit 19 Funktionsbausteine für die Sicherheit in Unternehmen definiert, wie zum Beispiel ›Not Aus‹ oder ›Handbetrieb‹. In Anlehnung an diesen Standard bietet die Firma KW-Software aus Lemgo eine Reihe zertifizierter Softwarekomponenten, mit denen sich die Definitionen im Betriebsalltag realisieren und anpassen lassen. Für den Bereich der Sicherheitssteuerungen hat der Anbieter ein komplettes Paket zusammengestellt. Die erste Steuerung auf Basis dieser Software ist die Safe Logi Control von Benstein. Siemens arbeitet zwar im TC5 mit, setzt aber weiterhin auf ihre Entwicklung Profisafe. Im Profil wird der Betrieb von Feldgeräten wie Not-Aus-Taster, Lichtgitter oder Verriegelungen festgelegt. Das Produktportfolio an Sicherheitsvorrichtungen ist zertifiziert und umfasst alle erforderlichen Bereiche und Komponenten. Das Profisafe-Profil regelt, wie Daten vollständig übertragen und dem richtigen Gerät zum richtigen Zeitpunkt zugestellt werden. Das Engineering erfolgt wie bisher auf der Basis von Step7, unterstützt durch eine Bibliothek mit zertifizierten Funktionsbausteinen.

Durchgängig bis hin zum Internet

Führte vor 20 Jahren die Dezentralisierung der Automation zu den Feldbussen wie Interbus und Profibus, so ist heute die durchgängige Kommunikation Motor der Entwicklung echtzeitfähiger Ethernet-Varianten. Das industrielle Ethernet penetriert sehr schnell die verschiedenen Hierarchiestufen. Als eine von wenigen neuen Technologien besitzt das Ethernet das Potenzial, die Marktverhältnisse neu zu mischen. Dieser Auffassung sind amerikanische Marktforscher: Sie prognostizieren ein jährliches Wachstum von über 50 Prozent. Doch leider wiederholt sich die Geschichte und ähnlich wie beim Feldbus gibt es international mittlerweile elf verschiedene Varianten. Drei davon kommen aus Deutschland: Profinet, EtherCat sowie Jet Web.

Feldbusse aus deutschen Landen

Das Isochrone Echtzeit-Ethernet Profinet hält die Vorgaben des VDMA von einer Millisekunde Reaktionszeit ein. Dies geschieht über Ertec, einen speziellen Switch-Chip. Im Sommer 2005 stellte Siemens einen Switch und ein Entwicklungs-Kit auf Basis dieses Chips vor. Mittlerweile haben sich Audi, BMW, Daimler Chrysler und Volkswagen für Profinet ausgesprochen, was dieser Technologie einen Schub geben wird. Beim EtherCat von Beckhoff entnimmt die FMMU (Fieldbus Memory Management Unit) in jeder E/A-Klemme

die für sie bestimmten Daten, während das Datenpaket das Gerät durchläuft. Ebenso werden Eingangsdaten im Durchlauf in das Telegramm eingefügt, die Datenpakete nur um wenige Nanosekunden verzögert. Baumüller, als einer der Anwender, setzt neben den Feldbussen CAN und Sercos auch auf Echtzeit-Ethernet mit EtherCat. Die Digitale Fabrik, heute hauptsächlich zur Planung neuer Anlagen und Fabriken eingesetzt, wird durch diese Entwicklungen bald bis in den Anlagenbetrieb hineinreichen. Der Anlauf und die permanente Verbesserung von Anlagen beziehen dann auch die Betriebs- und Produktionsleitsysteme mit ein. Bereits heute ist es möglich, aus dem Modell der Digitalen Fabrik SPS-Programme zu erzeugen und zu simulieren. Bis zur Integration von Planung und Automatisierung ist es nur noch ein Schritt.

Achim Scharf

STANDPUNKTDie Digitale Fabrik

Die Digitale Fabrik hat sich als das Fernziel moderner Steuerungstechnik etabliert. In Zukunft wird die Digitale Fabrik auch in der Automation selbst zum übergeordneten Prinzip. Das Konzept der Digitalen Fabrik wird durch zukünftige Entwicklungen bald bis in den Anlagenbetrieb hineinreichen und alle Segmente abdecken. Die Entwicklung läuft in Richtung Durchgängigkeit in der Automation, in der Kommunikation sowie bei den Unternehmensprozessen. Das Denkmodell wird heute hauptsächlich zur Planung neuer Anlagen und Fabriken eingesetzt. Der Anlauf und die permanente Verbesserung von Anlagen wird auch die Betriebs- und Produktionsleitsysteme einbeziehen. Bereits heute ist es möglich, aus dem Modell der Digitalen Fabrik SPS-Programme zu erzeugen und zu simulieren. Die Systemintegration zwischen Planungs- und Automatisierungswelt ist der logische nächste Schritt. Alle verfügbaren Komponenten wie speicherprogrammierbare Steuerungen oder Internet-PC können problemlos in die Digitale Fabrik eingebunden werden. Dies gilt auch für Betriebsysteme wie Linux oder Windows embedded.

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2006