Vernetzte Automatisierung und Trends

Was verbirgt sich hinter vernetzter Automatisierung

Verkürzte Innovationszyklen fördern und erfordern permanente Neuerung. Diese Entwicklung ist auch in der Automatisierungstechnik zu beobachten. Setzte in der Vergangenheit der Einsatz von Feldbustechnologien neue Standards, sind heutzutage vor allem Ethernet und die Informationstechnologie maßgebend. Dazu zählen ebenfalls die mittlerweile fest etablierten Standards TCP/IP und XML. Besonders die Hinzunahme der Informationstechnologie eröffnet neue Möglichkeiten. Dazu zählt eine bessere Kommunikation zwischen Automatisierungsgeräten, leichtere Konfiguration und Fehlerauffindung sowie ein leichterer Zugriff, wodurch ein höherer Service gewährleistet werden kann. Besonders der Markt für Feldbusse boomt.

Welche Systemstrukturen gibt es?

Bei der Installation eines Ethernet-Netzwerkes ist besonders auf Geräteschnittstellen und Verkabelung zu achten. Um die vorherrschende Komplexität besser zu bewältigen, wird vor allem auf zwei Systemstrukturen gesetzt.

  • Dezentrale Feldgeräte.
    Es besteht die Möglichkeit, dezentrale Feldgeräte in die Kommunikation zu integrieren. Dabei bleibt die I/O-Sicht, mit welcher Feldgeräte ihre Peripherie-Daten regelmäßig in das Prozess-Abbild der Steuerung übermitteln, bestehen. Dieses Modell setzt sich vor allem aus Steckplätzen (Slots) und Gruppen von I/O-Kanälen (Subs¬lots) zusammen. Die Anforderungen dieses Systems können in einzelne Klassen, so genannte Conformance-Classes eingeteilt werden. Sie werden in der Norm IEC 61784-2 spezifiziert.

Conformance Class A (Plant Control)

  • Conformance Class A (CC-A) 
    ermöglicht eine Übertragung von Daten mit Zykluszeiten in der Größenordnung von 100 ms über Ethernet. Auch Drahtlosnetzwerke wie WLAN oder Bluetooth können integriert werden, ebenso ist die Integration von Feldbussen möglich. Weiterhin sind einzelne Sicherheitskonzepte hinterlegt. Sie erlauben den Zugriff aus dem Internet für eine Remote-Diagnose unter Ausschluss Unbefugter.

  • Conformance Class B (Machine Control)
    Conformance Class B (CC-B) richtet geringe Anforderungen an die beteiligten Komponenten. Nur so kann ein SPS als Kontroller mit einer Zykluszeit von 10 ms arbeiten. Zu den Voraussetzungen zählen zum Beispiel komplett geschirmte Kabel.

  • Conformance Class C (Motion Control)
    Um die Kontrolle von Bewegungen durchzuführen, ist eine Zykluszeit von 1 ms notwendig. Komponenten, die in diesem Bereich arbeiten, gehören zur Conformance Class C und können zeitlich gleichgeschaltet werden. Dies ermöglicht eine so genannte isochrone Kommunikation der Komponenten. Nur so können so kurze Zykluszeiten erreicht werden. Wichtig ist, dass die beteiligten Geräte hinsichtlich von Funktionen und Protokollen gewisse Standards erfüllen.

Verteilte Automatisierung

Verteilte Automatisierung umfasst unabhängig voneinander arbeitende Teile von Geräten und Maschinen. Sie werden als technologische Module verstanden, mit deren Unterstützung Automatisierungsprogramme technische Anlagen modularisieren können. Ein wichtiger Bestandteil sind hierbei bestehende Feldbus-Systeme und Ethernet. So steigt die Wiederverwendbarkeit erheblich, was Engineeringkosten einspart. Außerdem wurde ein Engineering-Objektmodell erstellt. Mit seiner Hilfe lassen sich Werkzeuge entwickeln, mit welchen Komponenten verschiedener Hersteller montiert werden können. Zudem erlaubt es eine spezifische Funktionserweiterung der Komponenten. Das Engineering-Modell differenziert nach der Program¬mierung der Steuerungslogik einzelner Module und der Projektie¬rung der Anlage. Eine Applikation entsteht dann in drei Stufen:

  1. Erstellen von Komponenten,
  2. Einrichten der Verschaltungen,
  3. Download der Verschaltungsinformation

Welche Normen und Standards sind zu beachten?

  • Internet
  • Die wesentlichen Standards werden durch das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) und die Internationale Organisation für Normung (ISO) festgelegt. Nur so ist eine vorwährende Kompatibilität gewährleistet. Bei der Kommunikation zwischen einzelnen PCs verschiedener Hersteller haben sich Internetprotokolle durchgesetzt. Das Internet Architecture Board (IAB) stellt Regeln auf, unter welchen Voraussetzungen ein Protokoll genutzt werden darf.
  • Required: Alle Hosts und Router, die TCP/IP benutzen, müssen diese Protokolle unterstützen.
  • Recommended: Hosts und Routern wird empfohlen (,,recommended“) diese Protokolle unterstützen.
  • Elective: Hosts und Router steht es frei (,,elective“) Protokolle zu implementieren
  • Limited Use: Diese Protokolle dürfen nur durch bestimmte Testgruppen verwenden
  • Not Recommended: Von der Nutzung dieser Protokolle sollte abgesehen werden. Sie könnten zum Beispiel veraltet sein werden.

Ethernet

Ethernet meint eine Netzwerkarchitektur. Sie wurde 1980 von den Firmen Digital Equipment Corporation (DEC), INTEL und Xerox auf den Markt gebracht. Als Übertragungsmittel dient ein Koaxial-Buskabel. Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt hierbei 10 Mbit/s. Ethernet kommt vorwiegend in lokalen Netzwerken und zur Verbindung großer Netzwerke zum Einsatz. Es existiert eine Vielzahl von Standards, welche vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) festgelegt werden. Das Ethernet dient dem Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) als Basis für die Norm IEEE 802.3. Sie wurde später zur ISO-Norm erklärt.

Wohin geht der Trend?

Der Trend der letzten Jahre ging verstärkt zur dezentralen Intelligenz. Dies resultierte daher, dass verteilte Feldgeräte, Sensoren und Aktoren im Automatisierungsprozess verstärkt die Steuerung übernommen haben. Mit zentralen Rechenleistungen durch zentral verknüpften Aktoren entstanden neue Automatisierungslösungen. Auch dezentral angeschlossenen Aktoren oder über einen Feldbus integrierte Feldgeräte ermöglichten dieses. Die typische Parallelverdrahtung, Mechanik und Hardware wurde durch Bussysteme, Elektronik und Software ersetzt. Die so zunehmend verteilten Steuerungsfunktionen erlaubt eine effizientere Nutzung der weiteren beteiligten Komponenten. So steht dort genügend zentrale Rechenleistung zur Verfügung, wo sie spontan benötigt wird. Die so entstandenen unabhängigen Einheiten können abhängig von der Applikation kombiniert werden.