Ein einheitlicher Plattformansatz für OEM-Maschinenskalierbarkeit und Integration alter Technologien

Das Steuerungssystem einer Maschine ist ein wichtiger Bestandteil ihrer Konstruktion und Marktstrategie. Viele Entwicklungsteams verfolgen einen fragmentierten Ansatz, indem sie mehrere SPS-Familien für unterschiedliche Maschinenpreise verwenden und sich auf Gateways von Drittanbietern für die Integration von Altsystemen verlassen. Dies kann die Kosten für Technik, Inventar und Support vor Ort erhöhen, was wiederum die betriebliche Flexibilität beeinträchtigen kann. Eine Alternative ist die Standardisierung auf eine einzige, einheitliche Plattform, die anwendungsübergreifend skalierbar ist und sowohl mit modernen als auch mit älteren Protokollen kommunizieren kann.

Die Anwendung getrennter Strategien kann ineffizient sein. Die Verwaltung mehrerer SPS-Familien führt zu logistischen Herausforderungen in Bezug auf Schulung und Inventarisierung, während gleichzeitig unnötige Hardware, Komplexität und potenzielle Fehlerpunkte zum System hinzugefügt werden. Aber was wäre, wenn eine einzige Plattform diese Kompromisse vollständig beseitigen könnte? In diesem Artikel wird ein solcher Ansatz anhand des Ökosystems SIMATIC S7-1200 von Siemens als Fallstudie für die Anforderungen an Skalierbarkeit und Vernetzung untersucht.

Die Herausforderung der Skalierbarkeit für OEMs

OEM-Produktlinien verwenden oft ein „gut, besser, am besten“-Modell, bei dem die Komplexität der Maschine je nach den enthaltenen Funktionen variiert. Die Herausforderung besteht darin, ein Steuersystem zu spezifizieren, das für Einsteigermodelle kostengünstig und für High-End-Versionen leistungsfähig genug ist. Zu diesem Zweck werden die folgenden Lösungen häufig verwendet.

1. Mehrere Steuerungsplattformen: Die Verwendung unterschiedlicher SPSen für jede Maschinenebene mag pro Einheit kosteneffektiv erscheinen, kann aber Folgekosten für Schulung, Programmierung und Ersatzteilhaltung verursachen. Dieser Ansatz zwingt die Ingenieure, sich in mehreren Programmierumgebungen zurechtzufinden, und erfordert einen größeren, komplexeren Ersatzteilbestand sowohl für den OEM als auch für den Endbenutzer.
2. Übergroße und feste I/O-SPS: Die Auswahl einer einzigen, großen SPS vereinfacht die Programmierung, kann aber dazu führen, dass Einsteigermodelle aufgrund der Stücklistenkosten für ungenutzte Kapazitäten nicht wettbewerbsfähig sind. Dieser Ansatz bietet auch eine begrenzte Flexibilität für künftige Änderungen. Wenn ein Kunde nur einen zusätzlichen Sensor benötigt und alle festen I/O-Punkte zugewiesen sind, kann ein kostspieliges und zeitaufwändiges Redesign erforderlich sein.

Eine praktische Lösung ist eine modulare Steuerungsplattform mit einem zentralen Prozessor, der für jede Maschinenvariante genau mit den erforderlichen I/Os konfiguriert werden kann.

Bewältigung der Herausforderung der Anbindung alter Technologien

Wie kann eine hochmoderne Maschine in einer Fabrikhalle, die auf Technologie der letzten Generation basiert, effektiv kommunizieren? Dies ist der Kern des Dilemmas der Systemintegratoren: Neue Maschinen, die moderne Protokolle wie PROFINET verwenden, müssen oft in bestehende Anlagen integriert werden, die auf seriellen Protokollen wie Modbus RTU basieren. Dies erfordert, dass neue Systeme mit älteren VFDs, Waagen und anderen Geräten über serielle RS-485-Kommunikation kommunizieren. Zwei gängige Lösungen, die diese Probleme angehen, sind:

1. Protokoll-Gateways von Drittanbietern: Ein externes Gateway kann zwischen PROFINET und Modbus RTU übersetzen, verursacht jedoch zusätzliche Hardwarekosten, stellt eine potenzielle Fehlerquelle dar und erfordert ein separates Softwaretool für die Konfiguration. Die Zuordnung von Daten zwischen den beiden Systemen kann mühsam sein, und die Behebung von Kommunikationsproblemen wird zu einer komplexen Übung bei der Diagnose von zwei separaten Geräten, die oft von verschiedenen Herstellern stammen.
2. Industrie-PCs (IPCs) mit kundenspezifischem Code: Ein IPC mit benutzerdefinierter Kommunikationssoftware ist eine leistungsfähige, aber kostspielige und komplexe Lösung, die die Wartung des PC-Betriebssystems in der Fabrikhalle einführt. Diese Strategie erfordert spezielle IT- und Softwareentwicklungskenntnisse, die in einem herkömmlichen Automatisierungsteam nicht immer vorhanden sind, und kann zu spröden, schwer zu wartenden Lösungen führen.

Eine moderne Steuerung sollte ältere Kommunikationsprotokolle als natives Merkmal unterstützen, um die Architektur zu vereinfachen und die Konfiguration zu zentralisieren.

Eine einheitliche Lösung: Die Plattform SIMATIC S7-1200

Die Serie SIMATIC S7-1200 von Siemens, konfiguriert innerhalb des TIA-Portals (Totally Integrated Automation), wurde entwickelt, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Es bietet eine zusammenhängende Plattform mit Komponenten, die eine Reihe von Funktionen und Leistungsmerkmalen bieten. In Abbildung 1 ist ein Beispiel für eine SPS-Modulsteuerung dargestellt, in der die verschiedenen Komponenten hervorgehoben sind.

Abbildung 1: Ein SPS-Modul-Controller SIMATIC S7-1200 von Siemens, bestehend aus einer eingebauten CPU, integrierten I/O-Pins, Status-LEDs und Anschlüssen. (Bildquelle: Siemens)

Der Kern: eine leistungsfähige, robuste und flexible CPU

Das Herzstück eines S7-1200-Systems ist eine kompakte CPU. Die CPU 1214C zum Beispiel hat eine Boolesche Ausführungsgeschwindigkeit von 0,08 µs/Anweisung und 100/150 KB Arbeitsspeicher für eine schnelle Programmausführung. Ergänzt wird dies durch einen großzügigen 4-MB-Ladespeicher zum Speichern des gesamten Projekts (einschließlich Symbolen und Kommentaren) und einen remanenten 14-KB-Speicher zum sicheren Speichern kritischer Maschinendaten über einen Netzausfall hinweg. Sein integrierter PROFINET-Port unterstützt bis zu 16 Ethernet-Verbindungen und fungiert als I/O-Controller für ein modernes Feldgerätenetzwerk, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Beispiel einer PROFINET-IO-Controller- und -IO-Geräte-Topologie mit SIMATIC CPU. (Bildquelle: Siemens)

Neben der Logik sind in der CPU sechs unabhängige Hochgeschwindigkeitszähler integriert, die Impulsfolgen mit bis zu 100 kHz verarbeiten können und damit ideal für präzise Mess- und Positionierungsaufgaben mit Encodern geeignet sind. Darüber hinaus verfügt die CPU 1214C über zwei integrierte Analogeingänge (0 bis 10 V), die ohne zusätzliche Module eine grundlegende analoge Erfassung ermöglichen. Das Gerät ist für den industriellen Einsatz konzipiert, mit einem Betriebstemperaturbereich von -20°C bis +60°C und einer Vibrationsfestigkeit von bis zu 2 g (Wandmontage), was einen zuverlässigen Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen gewährleistet.

Die CPU ist in mehreren Varianten erhältlich und passt sich jeder Stromversorgungsinfrastruktur an. Das 6ES7214-1AG40-0XB0 ist ein DC/DC-Modell für standardmäßige 24-VDC-Systeme, während das 6ES7214-1BG40-0XB0 (AC/DC/Relais) von einer 120/230-VAC-Quelle gespeist werden kann, was Platz und Kosten spart, da keine separate Stromversorgung erforderlich ist. Das 6ES7214-1AG40-0XB0 verfügt außerdem über vier Pulse-Train-Ausgänge für die Open-Loop-Drehzahl- und Positionssteuerung von Schrittmotoren, wodurch sich der Bedarf an speziellen Motorsteuerungen in einfacheren Anwendungen verringert.

Skalierbarkeit mit granularen, leistungsstarken I/Os lösen

Ein wesentliches Merkmal der S7-1200 ist ihre Modularität. Die CPU kann mit Signalboards (SBs) für kleinere Erweiterungen und Signalmodulen (SMs) für größere I/O-Anforderungen erweitert werden, wodurch die Stückliste für die Anwendung optimiert werden kann.

Grundmodell: Die 14 digitalen Eingänge und 10 digitalen Ausgänge der CPU 1214C sind für Einstiegsmaschinen oft ausreichend und bieten eine kostenoptimierte Ausgangsbasis.

Mid-Tier-Modell: Um ein analoges 0- bis 10-V-Signal zur Steuerung eines Frequenzumrichters hinzuzufügen, kann die in Abbildung 3 gezeigte Signalkarte SB 1232 6ES7232-4HA30-0XB0 verwendet werden. Sie wird direkt an die CPU angeschlossen und bietet einen einzelnen Analogausgang mit einer Auflösung von 12 Bit und einer beeindruckenden Wandlungszeit von 300 µs.

Diese Geschwindigkeit ist entscheidend für Anwendungen, die eine reaktionsschnelle Steuerung von Proportionalventilen oder anderen analogen Stellgliedern erfordern. Das Modul kann Lasten mit einer minimalen Impedanz von 1000 Ω über eine abgeschirmte Kabellänge von bis zu 100 m treiben und fügt so wichtige Funktionen hinzu, ohne den Platzbedarf des Controllers zu erhöhen.

Abbildung 3: Das Signalboard SB 1232 - 6ES7232-4HA30-0XB0 für zusätzliche Peripherie für die SIMATIC S7-1200 CPU. (Bildquelle: Siemens)

High-End-Modell: Für die Steuerung eines 16-Punkt-Ventilblocks bietet das Signalmodul SM 1222 6ES7222-1BH32-0XB0 (Abbildung 4) 16 Transistor-Digitalausgänge, die jeweils für robuste 0,5 A ausgelegt sind. Ein wichtiges Detail für Ingenieure ist die eingebaute Begrenzung der induktiven Abschaltspannung auf einen typischen Wert von (L+)-48 V, die die Ausgänge beim Schalten von induktiven Lasten, wie z. B. Magneten, vor Gegen-EMK schützt.

Abbildung 4: Das Signalmodul SM 1222 - 6ES7222-1BH32-0XB0 mit 16 Transistorausgängen und induktiver Abschaltspannungsbegrenzung. (Bildquelle: Siemens)

Für die erweiterte analoge Steuerung bietet das Signalmodul SM 1232 - 6ES7232-4HD32-0XB0 (Abbildung 5) vier hochpräzise analoge Ausgangskanäle. Jeder Kanal ist entweder für Spannung (+/-10 V mit 14-Bit-Auflösung) oder Strom (0 bis 20 mA mit 13-Bit-Auflösung) konfigurierbar. Es verfügt über eine integrierte Diagnosefunktion für elektrische Fehler wie Drahtbruch und Kurzschluss, die es dem SPS-Programm ermöglicht, Verdrahtungsfehler und potenzielle Ausgangsprobleme zu erkennen und so die Betriebszeit und Zuverlässigkeit der Maschine zu erhöhen.

Abbildung 5: Das Signalmodul SM 1232 - 6ES7232-4HD32-0XB0 mit analoger Ansteuerung bietet eine integrierte Diagnose für Drahtbruch- und Kurzschlussfehler. (Bildquelle: Siemens)

Vernetzung mit integrierter Kommunikation lösen

Für die Integration älterer Technologien wird die Kommunikationskarte CB 1241 RS485 6ES7241-1CH30-1XB0 direkt in die CPU gesteckt. Sie bietet einen physischen seriellen RS-485-Anschluss, ohne die Abmessungen des Systems zu vergrößern (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6: Anschluss- und Vorspannungskonfigurationen für das RS-485-Kommunikationsnetz. (Bildquelle: Siemens)

Der Anschluss unterstützt Kommunikationsgeschwindigkeiten von bis zu 115,2 kbit/s über eine Entfernung von 1000 m. Die wahre Integration liegt in der Software. Das TIA-Portal enthält Bibliotheksanweisungen nicht nur für Modbus RTU (Master und Slave), sondern auch für die Freeport(ASCII)-Kommunikation, die ideal für einfache Geräte wie Barcode-Scanner ist, und das USS-Protokoll für die Kommunikation mit Siemens-Antrieben.

Die Konfiguration erfolgt vollständig innerhalb des TIA-Portal-Projekts, wobei serielle Daten direkt in einen SPS-Datenblock abgebildet werden. Dies macht externe Konfigurationstools überflüssig und vereinfacht die Netzwerkarchitektur. Für die Wartung verfügt die Karte über Diagnose-LEDs für Sende- (TxD) und Empfangssignale (RxD), die einen Überblick über die Kommunikationsaktivitäten geben und die Fehlersuche vor Ort vereinfachen.

Fazit

Die wichtigsten Herausforderungen für Automatisierungsingenieure sind die Bewältigung der Komplexität und die Gestaltung der Flexibilität. Die Standardisierung auf eine Steuerungsplattform wie die SIMATIC S7-1200 von Siemens löst diese Probleme. Durch die Kombination eines leistungsfähigen Prozessors wie der CPU 1214C mit einem flexiblen Ökosystem von modularen I/Os, von der SB 1232 bis zur SM 1222 und SM 1232, können OEMs eine einzige, skalierbare Steuerungsarchitektur aufbauen, die für eine Reihe von Maschinenpreisen geeignet ist.

Durch den Einsatz von integrierten Kommunikationsoptionen wie dem CB 1241 können Systemintegratoren die Komplexität externer Gateways reduzieren. Dieser einheitliche Ansatz, der innerhalb der TIA-Portal-Umgebung konfiguriert wird, kann die Entwicklungszeit verkürzen, den Lagerbestand minimieren und zu robusten und flexiblen Automatisierungslösungen führen.