Überwachung à la Blackbox

– Bei der Langzeitaufzeichnung von SPS-Signalen kommt wie im Flugzeug eine Blackbox zum Einsatz.
18. Juli 2006

Kennzeichen des industriellen Alltags sind eine zunehmende Komplexität automatisierter Systeme sowie erhöhter Zeitdruck bei der Inbetriebnahme und Wartung der Anlagen. Eine hohe Verfügbarkeit und Produktivität von Maschinen und Anlagen ist jedoch nur dann gewährleistet, wenn Fehler schnell erkannt und behoben werden können. Entscheidend ist dabei, dass möglichst viele Fehler diagnostiziert werden und zugleich der Aufwand für die Projektierung der Diagnose so gering wie möglich bleibt. Für das verantwortliche Servicepersonal werfen diese Tatsachen einige Fragen auf: Welche Möglichkeiten stehen zur Verfügung, den Prozessablauf einer Anlage kontinuierlich zu überwachen? Wie lassen sich sporadische Fehlfunktionen schnellstmöglich lokalisieren und wie die Inbetriebnahmezeit einer neuen Anlage verkürzen? Gibt es Wege, die Effektivität einer Fertigungsanlage bei gleich bleibender Qualität zu maximieren, die Taktzeiten zu verkürzen und die Verfügbarkeit zu erhöhen?

Dem Servicepersonal fehlt mit dem konkreten zeitlichen Signalverlauf der SPS-Signale in der Regel die entscheidende Information. Aber nur damit lässt sich die Ursache komplexer Logikfehler oder das Auftreten sporadisch auftretender Fehler analysieren. Auch der Fertigungsplaner braucht eine genaue Übersicht über die zeitliche Abfolge von Funktionen in seiner Anlage, um unnötige Totzeiten in der Maschine zu erkennen und zu eliminieren. Oft wird mit Programmiertricks versucht, derartige Problemstellungen in den Griff zu bekommen. Hierzu muss aber das bestehende SPS-Programm geändert werden, was wiederum eine Fehlerquelle darstellt und Zeit kostet. Auch Linienschreiber oder herkömmliche Logik-analysatoren aus der Elektronikentwicklung sind unzureichend: Dazu müssen erstdiverse Messleitungen umständlich an die Anlage angeschlossen werden, um die gewünschten Signale erfassen zu können. Auch diese bieten also keinen speziellen Komfort zur Erfassung von SPS-Signalen, da die Aufzeichnung auf die Ein- und Ausgänge der SPS beschränkt ist. Interne Variable wie Merker, Datenbausteine, Zähler und Timer entziehen sich dagegen zumeist einer Analyse.

Arbeit unter Zeitdruck

Da der Zeitdruck bei der Produktion zum Quittieren von Fehlern und zu schnellem Weiterfahren zwingt, können sporadische Fehler nur dann effizient gefunden werden, wenn sich alle Signale der SPS in ihrem zeitlichen Verlauf aufzeichnen und jederzeit darstellen lassen. Moderne SPS-Programmiersoftware bietet dem Anwender zwar Unterstützung bei der Fehlerdiagnose mit Hilfe von Statusanzeigen, der Anwender kann an der Stelle aber nicht erkennen, welche Störursache einen Stillstand verursacht hat, da sich der Anlagenzustand inzwischen verändert hat.

Permanente Überwachung

Permanente Überwachung der SPS-Signale während des laufenden Betriebes einer Anlage ermöglicht dagegen der Software-Logikanalysator „SPS-Analyzer pro“ der Emdener Autem GmbH. Das Gerät wird in der Regel auf einem PC oder Programmiergerät installiert und bei Bedarf vor Ort an der Anlage eingesetzt. In der Praxis müssen die Signale oft über lange Zeiträume lückenlos protokolliert werden, bis der gesuchte Fehler eintritt. Dazu dient ein spezieller Erfassungsrechner, der wochenlang oder möglicherweise dauerhaft unbeaufsichtigt an der Anlage verbleiben kann, schließlich setzt der Techniker nur ungern sein Notebook für diesen Zweck ein.

Als Alternative hierfür bietet Autem den Miniatur-PC „Blackbox“ für den Einbau im Schaltschrank. Die Datenerfassung erfolgt mit einer Spezialversion von „SPS-Analyzer pro 5“, die um einige Sonderfunktionen zur vollkommen autark ablaufenden Langzeitaufzeichnung erweitert wurde. Die Ankopplung an die SPS erfolgt über die jeweilige Programmierschnittstelle oder ein Automatisierungsnetzwerk.

Das Gerät zeichnet die Prozessdaten kontinuierlich über sehr lange Zeiträume lückenlos auf und archiviert sie parallel. Die Aufzeichnungskapazität der eingebauten Festplatte beträgt mehr als drei Jahre. Die Blackbox ist autark und ohne zusätzliche Peripherie lauffähig. Ein integrierter „Watchdog“ rebootet die Blackbox bei Aufzeichnungsstörungen automatisch. Der Betriebszustand lässt sich dabei jederzeit von außen über einen potenzialfreien Signalisierungskontakt abfragen. Nach einem Reboot versucht die Blackbox sofort, die Aufzeichnung fortzusetzen. Diese zusätzliche Betriebssicherheit gewährleistet lückenlose Signalaufzeichnung über sehr lange Zeiträume. Nach Erreichen der Kapazitätsgrenze löscht die Blackbox die jeweils älteste Signaldatei, um Platz für eine neue zu schaffen. Das Gerät ist mit allen gängigen PC-Schnittstellen ausgestattet. Tastatur, Maus und Monitor lassen sich bei Bedarf direkt anschließen.

Datenerfassung über Standardschnittstellen

Die Software läuft auf jedem handelsüblichen PC oder Programmiergerät unter Windows. Standardisierte SPS-Schnittstellen beziehungsweise Automatisierungsnetzwerke übermitteln dabei die Prozessdaten. Ein Programmiergerät oder -Bedien-PC mit Verbindung zur SPS kann somit unmittelbar genutzt werden. Zur Systemanalyse besitzt das Programm zudem umfangreiche Such- und Zeitmessfunktionen, mit denen sich wichtige Triggerereignisse, bestimmte Bitmuster oder besondere Flanken rasch aufspüren lassen. Eine Veränderung der Zeitbasis ermöglicht es, die Signalverläufe an bestimmten Stellen zu dehnen, um auch Details sichtbar zu machen. Der SPS-Analyzer erlaubt die gleichzeitige Erfassung von Signalen aus verschiedenen SPS-Steuerungen, um eine zeitlich korrekt abgestimmte Arbeitsweise dieser Komponenten für den gesamten Produktionsablauf zu gewährleisten. Ein spezieller Messadapter zeichnet zusätzlich zu den SPS-Signalen gleichzeitig auch externe Spannungen und Ströme auf. Sie wird hierzu an einen USB-Anschluss des Erfassungsrechners angeschlossen.

Die Langzeit-Prozessdatenarchivierung mit der Blackbox ist für Hersteller und Anwender von Anlagen und Maschinen gleichermaßen interessant, da die gewonnenen Daten sowohl zur Fehlerfindung als auch zur Dokumentation des Betriebsverhaltens und des Laufs der Anlage dienen. Instandhaltung, Konstruktion und Qualitätssicherung erhalten wertvolle Informationen über die Anlage. Der Anwender verfügt somit über eine Art „SPS-Fahrtenschreiber“. Die aufgezeichneten Daten sind ein unbestechlicher Nachweis bei Schuldfragen und zur Klärung von Verantwortlichkeiten bei Anlagenstörungen. Außerdem unterstützen sie den Anwender bei der Ursachenforschung. Via LAN, WAN oder DFÜ-Wählverbindung lässt sich die Blackbox von einem anderen PC aus fernsteuern. Die dafür erforderliche Software ist standardmäßig im Lieferumfang enthalten. Firmen, die Service im Kundenauftrag durchführen, können die Blackbox bei Bedarf in der Anlage des Kunden installieren und jederzeit von fern auf die aufgezeichneten Daten zugreifen, auch bei laufender Aufzeichnung.

Michael Postelt, Autem

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2006