Kapitel 9: Fragen und Antworten

Die Einführung der Feldbustechnik ermöglicht eine horizontale Integration der Feld- und Steuerungsebene. Die Feldgeräte besaßen schon seit langem eine eigene Elektronik, mit der sie z.T. eigenständig kleiner Abläufe, wie z.B. Dosieren steuerten. Diese sog. dezentrale Intelligenz kann nun mit Hilfe der Bustechnik mit der Steuerung gekoppelt werden. Auch die Vernetzung der Steuerungen untereinander zählt zur horizontalen Integration.

Unter vertikaler Integration wird dagegen die Vernetzung der Ebenen über den SPS'en mit der Steuerungs- und Feldebene verstanden. Die Standardvernetzung zwischen den SPS'en und den PC's der Prozess-, Betriebs- und Produktionsleitebene erfolgt über das Ethernet mit einer OPC-Kopplung.

Wie nachfolgend abgebildet unterscheidet man Feldebene, Prozessleitebene, Betriebsleitebene und Produktionsleitebene.

Auf Feldebene werden die Feldgeräte über Feldbus (z.B. Profibus PA) miteinander vernetzt und an eine SPS angekoppelt. Die SPS?en untereinander tauschen über Profibus im Multi-Masterbetrieb oder über Industrial Ethernet Daten aus. Alle übrigen Ebenen bestehen vorwiegend aus PC?s, deren Vernetzung über Ethernet TCP/IP erfolgt. Der Datenaustausch mit der SPS wird als Client-Server-Verbindung nach dem OPC-Standard realisiert.

Die Kommunikation der SPS'en mit den Feldgeräten über das Master-Slave Protokoll im Polling-Betrieb.

Untereinander bilden die SPS'en einen logischen Token Ring. Beim Token-Passing Prinzip wird das Token wie ein Staffelholz zwischen den Mastern weitergereicht. Will ein Master senden, markiert er das Token als belegt, adressiert das Ziel und hängt seine Daten an. Jede Station interpretiert dann die Adresse und reicht das Token weiter. Die angesprochene Zielstation kopiert die gesendeten Daten in ihren Speicher und hängt ggf. angeforderte Daten an das Token. Der Master, der mit Übertragung begann, nimmt Daten auf und gibt daraufhin das Token wieder frei.

Die PC's der Prozess-, Betriebs- und Produktionsleitebene schreiben ihre Daten mit dem CSMA/CD-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) auf das Ethernet. Dieses sieht vor, dass jeder Teilnehmer zu jedem Zeitpunkt senden kann. Der Sender überwacht dann das Netz und vergleicht seine gesendeten Daten mit den aktuellen Daten auf dem Netz. Sind die Daten nicht gleich, weil noch andere Daten auf dem Netz sind, unterbrechen alle Sender ihre Übertragung und starten nach einem zufälligen Zeitabstand erneut.

Im Fall einer Kollision werden die Daten somit verspätet gesendet, so dass Zykluszeiten, mit denen beispielsweise Sensordaten von der SPS eingelesen werden, manchmal etwas länger dauern. Da Zykluszeiten in Prozessautomatisierung auch aus Sicherheitsgründen zuverlässig eingehalten werden müssen, hat sich der Einsatz des Industrial Ethernets auf der Steuerungs- und Feldebene noch nicht durchgesetzt. Auf der Leitebene und den darüber liegenden Managementebenen ist der Einsatz von Ethernet mit dem CSMA/CD-Verfahren jedoch Standard.

Das Internet Protokoll IP ist auch die Grundlage der Kommunikation im Web, an dem natürlich sehr viele Rechner angeschlossen sind. Um den Datenverkehr in einem so komplexen Netz zu regeln, sind zwei Dinge notwendig:

  • Die Daten werden in kleine Pakete zerstückelt und im Zielrechner wieder zusammengesetzt, um zu vermeiden, dass ein sehr großes Datenpaket die Leitung blockiert.
  • Außerdem erhält jedes der Pakete die speziellen IP-Adressen von Sender und Empfänger, die im Allgemeinen von sog. Router vermittelt werden.

Das Sicherungsprotokoll TCP (Transmission Control Protocol) sorgt dafür, dass die zerstückelt versendeten Daten wieder in der richtigen Reihenfolge zusammengesetzt werden.

Hierfür wird zwischen den beiden kommunizierenden Anwendungsprogrammen ein fester Übertragungskanal eingerichtet wird. Anfangs- und Endpunkt eines Übertragungskanals bilden sog. Sockets, d.h. Stecker der Anwenderprogramme zum Übertragungskanal. Sockets werden über ihre Port-Nummer angesprochen. Zusammen mit der IP-Adresse des Rechners charakterisiert die Port-Nummer quasi die Zieladresse des Anwenderprogramms, mit dem ein Datenaustausch stattfinden soll.

Der Übertragungskanal ist eine Vollduplex-Verbindung, damit die Daten gleichzeitig gesendet und empfangen werden können. Die Übertragung lässt sich in 3 Abschnitte aufteilen:

  1. Aufbau der Verbindung zwischen den Teilnehmern durch einen Handshake,
  2. Datenaustausch über die wechselseitig verwendeten Befehle Send und Receive, und
  3. Abbau der Verbindung erneut durch einen Handshake.

Switches bzw. Bridges koppeln Bussegmente gleichen Typs. Dabei leiten sie Nachrichten anhand der Hardwarezieladresse von einem Segment zum anderen. Der lokale Datenverkehr wird abgewiesen, d.h. die Daten innerhalb eines Rings gelangen z.B. nicht über eine Bridge. Der Unterschied zwischen Bridges und Switches ist, dass Switches über mehr als nur zwei Anschlüsse verfügen.

Router verbinden ebenso Netzsegmente mit gleichem Protokoll und Adressierungsmechanismen. Zusätzlich führen sie die Wegsuche für die Datenpakete in stark vermaschten Netzen wie z.B. dem Internet durch.

Gateways koppeln Bussegmente ungleichen Typs. Dabei erfolgt eine Protokollumsetzung so, dass Gateways auch Netze mit unterschiedlicher Kommunikationsarchitektur und inkompatiblen Protokollen koppeln können. Der Datenaustausch erfolgt je nach Anwendung meist über ein Serverprogramm (vgl. OPC-Server in Beispiel 9.2).

Dies bedeutet für das Beispiel aus Bild 8.2, dass das Gateway nur die Daten zu den   ABKen weiterleitet, die für das Visualisierungsprogramm erforderlich sind. So müssen beispielsweise nicht alle Daten der Steuerungsebene dauernd auf der Leitebene aktuali­siert werden, sondern ein Gateway leitet nur die Prozesswerte an die ABKen weiter, die sich seit der letzten Abtastung verändert haben. Dadurch wird ein weitaus geringerer Datenverkehr auf dem Ethernet erreicht als er auf der Steuerungsebene im Feldbus aus Echtzeitgründen erforderlich ist.

Das bekannteste Industrie-Ethernet ist das Profinet, das von der Profibus Nutzerorganisation als offener Standard entwickelt wurde. Profinet nutzt das TCP/IP-Protokoll zur Übertragung zeitunkritischer Daten, wie zur Geräteparametrierung und -diagnose.

Für Echtzeitprozesse werden zusätzliche Übertragungskanäle zwischen den kommunizierenden Ports eingerichtet, über die die zeitkritischen Daten quasi auf der Überholspur an den zeitunkritischen Daten vorbei geführt werden:

  • Mit dem sog. Realtime-Kanal RT können Daten mit Zykluszeiten von 1..10ms übertragen werden, was etwa im Bereich der Feldbusdatenübertragung liegt.
  • Für Soll- und Istwerte besonders schneller Regelkreise steht ein isochroner Realtime-Kanal IRT zur Verfügung, mit dem exakt taktsynchrone Abtastzeiten im Bereich von Mikrosekunden erreicht werden. Dies ist insbesondere für Motion-Control-Anwendungen relevant.

Um Datenkollisionen beim Industrial Ethernet zu vermeiden, werden Switches eingesetzt, die zeitweise eine Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen zwei Teilnehmern realisieren und somit Kollisionen verhindern. Außerdem werden die Telegramme gemäß ihrer Priorität in Warteschlagen einsortiert und dann gezielt weitergeleitet.

Ein Visualisierungsprogramm einer ABK kann  als OPC-Client auf den OPC-Server der SPSen zugreifen, der beispielsweise im Programmiergerät (PG) läuft. Für den OPC-Server ist es dabei ohne Belang, welche Anwendung auf seine Daten zugreift. Er stellt einfach seine Daten zur Verfügung, und ein beliebiger Client kann darauf zugreifen. Die Schnittstelle für den OPC-Client ist standardisiert. Sie legt fest

  • von welchem Server
  • welche Daten
  • gelesen und/oder überschrieben

werden sollen.

Der Vorteil der OPC-Kopplungen ist, dass sie systemunabhängig arbeiten, d.h. die Schnittstelle für einen OPC-Client (z.B. eine ABK) muss nur einmal konfiguriert werden unabhängig davon, von welchem Hersteller der OPC-Server ist.

In der SPS läuft ein Web-Server, der die Steuerungsdaten für das HTTP-Protokoll bereitstellt. Ruft ein Webclient die URL des Web-Servers auf (z.B.http://192.168.61.102:8080/webvisu.htm), so sendet der Webserver die Webseite mit dem eingebetteten Java-Applet (iz.B.  webvisu.htm und webvisuplc.jar).

Nach Aufruf der Webseite im Web-Browser des Clients wird das Java-Applet im Client gestartet und erzeugt das Prozessgrafikbild im Browser des Clients. Das Java-Applet kann dabei auch auf Eingaben des Bedieners in der Webvisualisierung reagieren, indem es die einem Tastenfeld zugeordneten Steuerungssignale zum Web-Server zurück überträgt. Umgekehrt werden Veränderungen der Sensordaten vom Web-Server erkannt und zyklisch an die Webvisualisierung des Clients übertragen.

  • Selbstverständlich muss für den Zugriff des Clients auf den Server eine Authentifizierung mit Benutzerkennung und Passwort erforderlich sein, die verschlüsselt übertragen werden sollten.
  • Darüber hinaus sind nicht authentifizierte Zugriffe mit einem Firewall-Programm zu verhindern. Die Firewall ist ein Gateway, das zwischen Server und Client eingebaut ist und die Datenpakete kontinuierlich dahingehend filtert, ob die Verbindung erlaubt ist oder nicht. Datenpakete mit unbekannter Socketnummer werden abgewiesen und nicht zum Server übertragen.
  • Außerdem kann man auch einen sog. Proxy-Server als Stellvertreter für den eigentlichen Server vorschalten. Der Client adressiert also statt des eigentlichen Servers den Proxy-Server, und dieser prüft inhaltlich, ob der Client für die adressierte Internet-Seite Zugriffsrechte besitzt oder nicht.
  • Um die besonderen Anforderungen des Datenschutzes zu berücksichtigen, wird ein sog. Virtual Private Network (VPN) aufgebaut.
  • Schließlich sollte der Server ein HTTP unterstützen, das eine besonders sichere Socketverbindung durch eine sog. Secure Sockets Layer (SSL) aufbaut. Diese wird durch einen eigenen URL-Typ (https://www....) gekennzeichnet

Prozessleitsysteme bestehen aus

  • prozessnahen Komponenten (PNK), die meistensmeistens als SPSen ausgeführt sind,
  • PC-basierten Anzeige- und Bedienkomponenten (ABK), sowie
  • einem Netzwerk, das zwischen den SPSen und ABKenen über PLS-interne
  • Client-Server-Verbindungen Daten austauscht.

Prozessleitsysteme ermöglichen das Leiten der Information zwischen Prozess und Bediener durch:

  • Bedienung und Beobachtung des Prozesses und seiner Geräte,
  • Meldung und Alarmierung bei Störungen,
  • Protokollierung und Archivierung von Messwerten,
  • Auswertung und Optimierung von Anlagen- und Prozesszuständen.

  • Betriebsdatenerfassung: Ein in der Praxis häufig eingesetztes Verfahren zur Datenreduktion ist ein erweiterter Swinging-Door-Algorithmus.

    • Dabei werden die online abgespeicherten Prozessdaten x(k) zunächst hinsichtlich ihrer Amplitudenänderung zusammengefasst. Wenn aufeinander folgende Werte innerhalb eines horizontal angeordneten Schlauchs festgelegter Breite liegen, wird nur der erste Wert x(k1) abgespeichert. Überschreitet der Abstand eines neuen Werts zum ersten Wert des Schlauchs eine vorgegebene Schwelle, muss der neue Wert als Startwert eines neuen Schlauchs abgespeichert werden.
    • Für die verbleibenden Punkte werden in einer zweiten Stufe Schläuche um aufeinanderfolgende Punkte mit einheitlicher Richtung gelegt. Dazu wird zunächst ein Schlauch in Richtung zweier aufeinander folgender Punkte gebildet. Liegen die weiteren Punkte auch innerhalb dieses Schlachs, werden sie nicht gespeichert. Erst wenn ein Punkt außerhalb dieses Schlauch liegt, wird dieser als Startwert eines neuen Schlauchs gespeichert.

  • Betriebsdatenauswertung: Ziel ist es Daten für die Kostenrechnung, Ressourcenplanung, Wartung, Instandhaltung und Qualitätssicherung zu ermitteln.

    • Um beispielsweise die Betriebskosten zur Produktion einer Charge zu ermitteln, sind unter anderem der Material- und Energieverbrauch sowie die Belegungszeit bestimmter Anlagenteile von Interesse.
    • Der Materialverbrauch lässt sich anhand der Füllstandsverläufe oder der gemessenen Durchflussgeschwindigkeiten in den Ablaufleitungen aller für ein Material in Anspruch genommenen Vorlagebehälter berechnen. Bei der Erfassung der Füllstände spielen die Zeitpunkte eine Rolle, die aussagen, wann ein Ablaufventil auf- bzw. zugefahren wurde.
    • Der Energieverbrauch einer Anlage basiert zum einen auf der Laufzeit der eingesetzten Maschinen. Die Maschinenlaufzeiten lassen sich durch zeitliche Integration der binären Stellsignale aller eingesetzten Antriebe ermitteln. Zum anderen wird der Energieverbrauch aber auch durch die Anzahl der Schaltvorgänge sowie durch die zugeführte Energie Q zum Heizen und Kühlen eines Stoffes bestimmt.

Zur Produktionsplanung werden vom Marketing und Vertrieb die Bestellungen für ein herzustellendes Produkt in das PPS eingegeben. Das PPS stellt anhand der Terminvorgaben und der Auslastung der Anlagen ein Produktionsprogramm zusammen, in dem festgelegt ist, wann wie viel von welchem Produkt etwa im Zeitraum der nächsten 4 Wochen hergestellt wird. Je nach erforderlicher Menge werden die zur Produktion benötigten Personen, Materialien und Anlagen im PPS reserviert.

Die eingeplanten Produktionsvorgänge werden zu sog. Produktionsaufträgen zusammengestellt. Diese enthalten sämtliche Informationen, die zur Herstellung eines Produkts benötigt werden, wie Einsatzstoffe, Anlagenbereiche, Zeiträume, etc. Die Aufträge werden so zusammengesetzt, dass die Produktion just in time erfolgt und möglichst wenige Produktwechsel stattfinden. Dadurch werden Lagerkapazitäten sowie Reinigungs- und Umrüstzeiten klein gehalten.

Im Rahmen der Produktionssteuerung wird eine Feinplanung der Produktions- und Reinigungsvorgänge in einer Anlage durchgeführt. Diese erfolgt im Allgemeinen erst in der Vorwoche des Rezeptstarts. Dabei wird aus dem Produktionsauftrag für jede Anlage ein Prozessauftrag erzeugt. Dieser umfasst die Disposition der Steuerrezepte mit der Nummer der zu produzierenden Charge und dem geplanten Startzeitpunkt, zu dem das Steuerrezept im Automatisierungssystem ablaufen soll. Wenn der Starttermin erreicht ist, wird automatisch das entsprechende Steuerrezept im Automatisierungssystem gestartet.

Außerdem ist im Prozessauftrag festgelegt, welche Betriebsdaten zu welchem Zeitpunkt des Rezeptablaufs zurückgemeldet werden müssen, um sie mit Sollwerten zu vergleichen. Diese Auftragsüberwachung dient zur Qualitätssicherung, Terminüberwachung, Material- und Energiebilanzierung etc. Bei Abweichungen des Betriebsgeschehens vom vorgesehenen Ablauf reagiert das MES mit Umplanung oder Meldung, dass manuelle Vorkehrungen getroffen werden müssen.

Um auch den Prozessstart zu automatisieren, verfügen professionelle Rezeptpakete über
eine sog. Dispositionstabelle. Das MES kann die Prozessaufträge automatisch in die Disposition
eintragen. Diese enthält dann die Steuerrezepte mit folgenden Eintragungen:

  • Name des Rezepts (z. B. Rezept_Kaffee oder Rezept_Tee),
  • vorgesehener Starttermin (Datum und Uhrzeit, die mit der Systemzeit verglichen werden),
  • Anlage oder Anlagenteil, der für das Rezept reserviert wurde,
  • Chargenbezeichnung (z. B. Charge_1 oder Charge_2),
  • Rezeptparameter (z. B. Wassermenge, Kaffeemenge etc.).

Die so spezifizierten Steuerrezepte können dadurch im Voraus für mehrere Tage eingetragen
werden und laufen dann jeweils zum festgesetzten Starttermin automatisch ab

Unter Supply-Chain-Management versteht man die weitgehende Automatisierung
der Vorgänge in dieser logistischen Kette. Da die verschiedenen Steuerungssysteme
miteinander vernetzt sind, kann ein System die durchzuführenden Prozesse im
nächsten System automatisch anstoßen.

Beispielsweise werden zur Nachbestellung vonMaterialien Aufträge über das Intra- oder Internet
automatisch an andere Lagerverwaltungssysteme interner oder externer Lieferantensysteme übertragen.
Ein Supply-Chain-Management ermöglicht es auch, den Status des Produktionsprozesses nach außen sichtbar
zu machen, so dass der Kunde jederzeit abfragen kann, wann mit der Lieferung zu rechnen ist.
Außerdem erkennt der Betreiber, wo aktuell Engpässe, sog. Bottle Necks, in der logistischen Kette vorliegen.

Speicherprogrammierbare Steuerungen für die Fabrik- und Prozessautomation

4. Auflage erschienen im Hanser Verlag, 2015