Gut gerüstet für den Wandel

Steuerungen - Auch mittelfristig bleiben Steuerungen die zentrale Komponente einer Automatisierungslösung. Aber sie werden leistungsfähiger, denn sie müssen immer höhere Kommunikationsaufgaben erfüllen.

13. November 2006

Die Steuerungstechnik hat sich an Anwenderwünsche angepasst. Während die Menge klassischer Automatisierungs-Verknüpfungen pro Maschine proportional zur Anzahl der Sensoren und Aktoren leicht gestiegen ist, sind Datenverarbeitung und Kommunikation im Steuerungsprogramm stark gewachsen. Zusätzlich zu Bit-Operationen übernehmen die Steuerungen regelungstechnische Aufgaben, aus denen sich ein erhöhter Bedarf an Prozessorleistung ergibt.

In mechatronische Einheiten zerlegt

Automatisierungslösungen müssen flexibel an Applikationsbedingungen adaptierbar sein. Daher wird der Fertigungsprozess in mechatronische Einheiten zerlegt, die Arbeitsschritten wie Abfüllen, Verschließen, Etikettieren oder Verpacken entsprechen. Funktionseinheiten, die jeweils über eine eigene Steuerung verfügen und in Echtzeit miteinander kommunizieren, werden dann zur benötigten Maschine oder Anlage zusammengefügt. Aus der Kommunikation außerhalb der Funktionseinheit ergeben sich hohe Anforderungen an die Steuerung. Neben ihren klassischen Aufgaben verwaltet sie beispielsweise Rezepturen oder archiviert Produktions- und Diagnosedaten, wobei die Dateien via FTP (File Transfer Protocol) übertragen werden. Auf Basis eines integrierten Web-Servers soll sie kostengünstige Lösungen zum Bedienen und Beobachten über das HTTP-Protokoll (Hypertext Transfer Protocol) realisieren. Darüber hinaus muss die Steuerung Diagnosedaten per SNMP-Protokoll (Simple Network Management Protocol) an die Leitstelle übertragen, über das Ethernet-Netzwerk direkt auf Datenbanken zugreifen sowie Informationen mit anderen Steuerungen austauschen. Die Steuerung versendet und empfängt E-Mails, verschickt Status- und Störmeldungen als SMS (Short Message Service) über das Mobilfunknetz und erhält auf gleichem Wege neue Parameter. Auf diese Weise können auch weit verteilte Systeme wie Pump- oder Trafostationen ohne Kommunikations-Infrastruktur kostengünstig mit der Leitwarte verbunden werden.

Bei den Protokollen HTTP, FTP, SNMP oder SMTP handelt es sich um weltweit akzeptierte IT-Standards. Durch ihre Verwendung in der Automatisierungstechnik wird ein durchgängiger Datenaustausch ohne System­brüche von der Feldebene bis ins Internet möglich.

Die E/A-Kopplung sowie die Vernetzung der Steuerungen untereinander ändern sich ebenfalls. Da E/A-Module intelligenter werden und gleichzeitig flexible Bedienkonzepte abgedeckt werden müssen, stoßen klassische Feldbussysteme immer häufiger an ihre Grenzen. Deshalb bietet sich die Kommunikation über Ethernet an, das bereits zur Vernetzung von Industrie-PCs und anderen Peripherie-Geräten im Feld genutzt wird. Die Standard-Protokolle TCP/IP und UDP (User Datagram Protocol) eignen sich jedoch nicht für die Übertragung zeitkritischer E/A-Signale, weshalb echtzeitfähige Ethernet-Protokolle wie Profinet entwickelt worden sind .

Echtzeit-Klassen

Profinet stellt mit Profinet CBA (Component Based Automa­tion), Profinet IO-RT (Realtime) sowie Profinet IO-IRT (Isochronous Realtime) drei Echtzeit-Klassen zur Verfügung. Während Profinet CBA ein Hersteller-übergreifendes Verfahren für die Kommunikation von Steuerung zu Steuerung beschreibt, ist Profinet IO mit der Feldbus-Kommunikation gleichzusetzen. Profinet IO-RT spezifiziert dabei den E/A-Datenaustausch mit Update-Raten bis zu 1 ms. Profinet IO-IRT wird für synchronisierte Antriebslösungen mit Aktualisierungszeiten bis zu 256 µs und einem Jitter von wenigen µs verwendet. Die IRT-Lösung basiert auf einem spezifischen Profinet-Chipsatz, der in die

Geräte implementiert werden muss. Den drei Echtzeit-Klassen ist gemein, dass Standard-Ethernet-Telegramme parallel über das Kabel verschickt werden können.

Die Profinet-Spezifikation hat keine Optimierung auf dem Ethernet-Übertragungsprotokoll festgelegt, sodass zum Aufbau der jeweiligen Topologie eine beliebige Ethernet-Infrastruktur genutzt werden kann. Gefordert wird lediglich ein geswitchtes Netzwerk. Da auch Profinet-Strecken diagnostiziert werden sollen, empfiehlt sich der Einsatz einer ›gemanagten‹ Infrastruktur - sei es als klassische Sternverkabelung oder als Feldbus-ähnliche Linienstruktur. Einzelne Strecken können dabei in Licht­wellenleiter-Technologie ausgeführt werden. Bewegte Teilnehmer können auch über drahtlose Übertragungsverfahren wie WLAN und Bluetooth in die Automatisierungslösung integriert werden. Durch diese Flexibilität ergeben sich erste Einsparpotenziale.

Um Mehraufwand bei Inbetriebnahme und Diagnose zu vermeiden, definiert Profinet ein Verfahren zur Topologie-Erkennung. Zunächst können alle Geräte im Netzwerk online abgefragt werden. Sollte sich eine Komponente nicht zurückmelden, wird die komplette Netzwerkstruktur ausgelesen. Das Anzeigen der Erreichbarkeit der Endgeräte zeigt, an welcher Stelle die Verkabelung oder Komponenten überprüft werden müssen. Das vereinfacht auch die Online-Diagnose im Betrieb, da Topologie-Informationen in den Geräten immer konsistent zur aktuellen Verkabelung abgespeichert sind. Ein manuelles Nachpflegen und Dokumentieren ist nicht notwendig. Die Topologieerkennung ist nur eine von vielen Profinet-IO-Funktionen, die neue Möglichkeiten in der Automatisierung eröffnen.

Die Profinet-Schnittstelle ist in alle Hutschienen-montablen Steuerungen der 300er Leistungsklasse von Phoenix Contact integriert. Der Inline Controller ILC 390 PN-2TX bietet hohe Performance für anspruchsvolle Automatisierungsaufgaben. In Kombination mit der Einbindung TCP/IP-basierter Kommunikations-Schnittstellen wie FTP- oder Web-Server sowie durch Unterstützung von Profinet IO-RT ist die Steuerung bestens für die Anforderungen der Zukunft gerüstet. Zwei Ethernet-Ports mit einem integrierten Switch ermöglichen die flexible Anbindung an die überlagerte Leitwarte, an eine lokale Bedienstation oder an E/A-Module. Alle Informationen, die beim Anlauf der Steuerung nach einem Gerätetausch benötigt werden, sind auf einer Speicherkarte abgelegt, auf der auch die aufgelaufenen Fehlermeldungen enthalten sind. Der Quellcode des IEC 61131-Programms kann ebenfalls über das Programmier-Werkzeug auf der Karte gespeichert werden, sodass das Suchen der richtigen Programm-Version auf der Festplatte entfällt. Wie alle Steuerungen von Phoenix Contact wird der Inline Controller ILC 390 PN-2TX mit der Software PC Worx programmiert. In PC Works sind auch Tools zur Netzwerk-Konfiguration des Profinet- und des Inline-E/A-Systems integriert. Neben der Topologie-Ansicht enthält die Software das Diagnose-Werkzeug Diag+, das alle Diagnose-Quellen von der Netzwerk- bis zur Applikations-Diagnose sammelt. Alle Software-Tools sind so tief in PC Worx eingebunden, dass eine Doppeleingabe von Informationen nicht notwendig ist. Da PC Worx durchgängig mit Variablen-Namen und Signal-Bezeichnern arbeitet, werden Adressen automatisch verwaltet.

Lutz Rahlves und Robert Wilmes, Phoenix Contact

FAKTEN

- Werden immer leistungsfähigere Steuerungen entwickelt, müssen diese auch kompatibel zu den heute verwendeten Geräten sein.

- Mit der Steuerungsplattform ›Inline Controller‹ will Phoenix Contact auch zukünftige Anforderungen sowie alle Leistungsklassen abdecken.

Erschienen in Ausgabe: 08/2006