Mit PC-basierter Steuerungstechnik zu moderner Anlagenautomatisierung
Skalierbar, offen, verfügbar
Green- sowie Brownfieldanlagen müssen zukünftig mit innovativen Automatisierungslösungen ausgestattet werden, um dem zunehmenden Wettbewerb in der Prozessindustrie standzuhalten. Konkret bedeutet dies, dass eine effiziente und flexible Anlagenautomatisierung gefordert ist, welche zudem den Anforderungen an Verfügbarkeit gerecht wird. Mit dem durchgängigen, PC-basierten Steuerungssystem von Beckhoff ist dieses Ziel umsetzbar.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGMit PC-based Control von Beckhoff steht Anwendern ein ganzheitliches Steuerungssystem zur Automatisierung ihrer Anlagen zur Verfügung. Der Industrie-PC ist die Kernkomponente der PC-basierten Steuerungstechnik und stellt in prozesstechnischen Anlagen die Basis zur Führung und Überwachung der Prozesse dar. Durch das skalierbare Portfolio ist es möglich, einen individuell für die Aufgabenstellung zugeschnittenen Industrie-PC zur Steuerung der Anlage zu verwenden: zur Verfügung stehen Industrie-PCs in den unterschiedlichsten Formfaktoren. Die Unterstützung vieler Standards und Protokolle gewährleistet eine systemübergreifende Datenkommunikation sowohl auf der übergeordneten Steuerungs- als auch auf der Feldebene. Für die Architektur von Anlagen haben sich zwei unterschiedliche Konzepte etabliert. Beim zentralen Ansatz laufen alle Informationen in einem Schaltschrank zusammen, während die Anbindung der Sensorik und Aktorik über abgesetzte Remote-I/Os erfolgt. Eine dezentrale Architektur besteht aus mehreren Steuerungen, die einem bestimmten Anlagenteil zugeordnet sind und dessen Prozessführung übernehmen. Moderne Automatisierungssysteme unterstützen beide Konzepte: zum einen steuerungsseitig und zum anderen durch I/O-Systeme, die sowohl als Remote-I/O als auch direkt an Embedded-Controllern betrieben werden können. Beckhoff bietet für jedes Szenario entsprechende I/O-Module für die Installation im Schaltschrank (IP20) oder direkt im Feld (IP67) an.
Neben der flexiblen Topologie sind in der Prozessindustrie Explosionsschutzanforderungen eine häufige Voraussetzung für den Einsatz elektrischer Geräte im Feld. Die größte Herausforderung für die Automatisierung stellt hierbei die Datenerfassung aus Zone 0/20 über eigensichere Signale dar. Die I/O-Module der ELX-Serie bieten hierbei eine kompakte und integrierte Lösung, bei der zwischengeschaltete Barrieren entfallen und alle Ethercat-Features von schneller Datenkommunikation bis zu durchgehenden Diagnosemöglichkeiten nutzbar sind. Ergänzt wird das Portfolio durch verschiedene Baureihen von Steuerungen, I/O-Modulen und Control Panel für die Installation in Zone 2/22. Dies ermöglicht eine dezentrale Steuerung und Visualisierung in unmittelbarer Nähe zum Prozess.
Die Vorteile PC-basierter Steuerungstechnik kommen nicht nur bei Betrachtung der Hardware, sondern insbesondere bei der Flexibilität der eingesetzten Software zur Geltung. Die Automatisierungssoftware Twincat verfügt über eine Reihe an Funktionen, u.a. für Visualisierung oder Datenanalyse, bietet aber gleichzeitig eine Vielzahl an Schnittstellen, um die Daten für andere Systeme zur Verfügung zu stellen. Der Anwender gewinnt dadurch vor allem Freiheit bei der Auswahl seiner Softwarelösung, die ihm zukunftssicher den Einsatz der für ihn optimalen Tools ermöglicht.
Die Industrie-PCs führen den Programmcode für die Prozessführung als Soft-SPS in Echtzeit aus, wobei sie durch ihre hohe Rechenleistung in der Lage sind, in kurzer Zeit große Datenmengen zu verarbeiten. Die Auswertung dieser Datenbasis kann auf dem IPC entweder direkt in Echtzeit im SPS-Code oder durch Integration externer Software-Tools erfolgen, an welche die Datensätze übergeben werden. Über Anbindung an die IT-Infrastruktur ist ebenso der Datenaustausch in Industrie-4.0-Szenarien oder IoT-Lösungen direkt in der Steuerung ohne zusätzliche Geräte möglich. Hierdurch entstehen z.B. Applikationen für Condition Monitoring ganzer Anlagenparks, die Cloud-gestützt alle Feldgeräte überwachen und Maßnahmen für Predictive Maintenance empfehlen, um Stillstandszeiten zu verringern.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGVerfügbarkeitserhöhung durch Redundanz
Um die Verfügbarkeit einer Anlage weiter zu erhöhen, können mithilfe redundanter Architekturen Ausfälle einzelner Steuerungskomponenten abgesichert werden. So lassen sich mittels Implementation einer Kabelredundanz Kommunikationsunterbrechungen abfangen. Diese stellt durch den Aufbau einer Ringstruktur sicher, dass beispielsweise im Falle eines Kabelbruchs weiterhin alle I/O-Module des Systems erreicht werden können. Mit der Twincat-Steuerungsredundanz ist es hingegen möglich, den Industrie-PC und somit das Steuerungsprogramm redundant auszuführen. Hierfür werden Standardkomponenten durch die Software zu redundantem Betrieb befähigt - spezielle Hardware ist folglich nicht erforderlich. Die Steuerungsredundanz stellt sicher, dass bei einem Ausfall einer Steuerung die Zweite den Betrieb übernimmt. Zu diesem Zweck sind die beiden Steuerungen über Netzwerkleitungen verbunden, welche die Synchronisation und im Fehlerfall eine Umschaltung ohne Informationsverlust ermöglichen.
Rein softwarebasiert zum redundanten Steuerungsbetrieb
Ergibt sich allein schon durch die robuste Ausführung der Beckhoff Industrie-PCs eine hohe Verfügbarkeit, so hat der Anbieter sein Produktportfolio durch Twincat Controller Redundancy (TF1100) nun zusätzlich mit der erwähnten Steuerungsredundanz erweitert. Mit dieser rein softwarebasierten Lösung lassen sich zwei Standard-Industrie-PCs mit nur wenigen Projektierungsschritten als redundante Steuerungen betreiben, die beide das gleiche PLC-Programm ausführen. Eine zusätzliche, hochperformante Netzwerkverbindung zwischen beiden Steuerungen sorgt für die erforderliche Synchronisation. Zum Einsatz kommt dabei Standard-Ethernet, sodass keine dedizierten Hardware-Komponenten benötigt werden. Auf diese Weise wird - ohne großen Aufwand - sichergestellt, dass lediglich einer der beiden Industrie-PCs die Feldbuskomponenten zu einem bestimmten Zeitpunkt anspricht und dass die Steuerungsprogramme auf beiden Rechnern synchron ausgeführt werden. Letzteres bildet die Grundvoraussetzung für das Wechseln des steuernden Industrie-PC im Fehlerfall, ohne dass dabei Informationen verloren gehen.
Ergänzend zur Steuerungsredundanz sichert die genannte, bereits seit Längerem verfügbare Ethercat Redundancy (TF6220) vor Ausfällen aufgrund fehlerhafter Kabelverbindungen. Dabei werden die I/O-Module durch zwei getrennte Kabel angebunden, die idealerweise örtlich unterschiedlich zu verlegen sind. Während Ethercat Redundancy die Kommunikation von der Steuerung zum Feldbus adressiert, steht mit dem Twincat Parallel Redundancy Protocol (PRP, TF6230) nun zusätzlich auch eine Kabel-Redundanz für die Ethernet-Kommunikation nach IEC62439-3 zu überlagerten Systemen wie z.B. MES oder abgekoppelten HMI-Systemen zur Verfügung. Das Protokoll definiert eine redundante und transparente Netzwerkverbindung, die in Twincat überwacht und diagnostiziert werden kann.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KGVerfügbarkeitserhöhung durch Redundanz
Um die Verfügbarkeit einer Anlage weiter zu erhöhen, können mithilfe redundanter Architekturen Ausfälle einzelner Steuerungskomponenten abgesichert werden. So lassen sich mittels Implementation einer Kabelredundanz Kommunikationsunterbrechungen abfangen. Diese stellt durch den Aufbau einer Ringstruktur sicher, dass beispielsweise im Falle eines Kabelbruchs weiterhin alle I/O-Module des Systems erreicht werden können. Mit der Twincat-Steuerungsredundanz ist es hingegen möglich, den Industrie-PC und somit das Steuerungsprogramm redundant auszuführen. Hierfür werden Standardkomponenten durch die Software zu redundantem Betrieb befähigt - spezielle Hardware ist folglich nicht erforderlich. Die Steuerungsredundanz stellt sicher, dass bei einem Ausfall einer Steuerung die Zweite den Betrieb übernimmt. Zu diesem Zweck sind die beiden Steuerungen über Netzwerkleitungen verbunden, welche die Synchronisation und im Fehlerfall eine Umschaltung ohne Informationsverlust ermöglichen.
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 10 (Oktober) 2022 - 23.09.22.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
