Bewältigung der Herausforderungen der industriellen Automatisierung mit einer neuen Generation von SPS-Hardware

Automatisierung, die auf dem Internet der Dinge (IIoT) basiert, verspricht eine schnellere Markteinführungszeit, höhere Produktivität, mehr Sicherheit, niedrigere Kosten und höhere Qualität. Dennoch gibt es immer noch Hindernisse. Veraltete Systeme, die sich nur schwer aktualisieren lassen, zu konservative Entwicklungsabteilungen, geschlossene Systeme und fehlendes Fachwissen sind einige der Probleme, die die Revolution der Industrie 4.0 aufhalten.

Während geeignete, auf Standards basierende Technologien das Rückgrat der vernetzten Fabrik bilden, haben viele ältere oder auch „Arbeitspferde“ genannte speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) nur begrenzte Fähigkeiten. Dies macht es schwierig, die werksweiten Upgrades, die für die volle Nutzung des IIoT erforderlich sind, schnell zu implementieren. Erschwerend kommt das Risiko hinzu, teure Werksaufrüstungen auf Technologien zu stützen, die mit der Einführung neuer Technologien veraltet sein oder nicht mehr unterstützt werden könnten.

Lehren können aus anderen Bereichen des IoT gezogen werden, wie z. B. dem intelligenten Zuhause (Smart Home), wo offene Systeme, kollaborative Plattformen und zugängliche Software die Umsetzung zukunftssicherer intelligenter Lösungen erleichtern. Die Hersteller von Systemen zur Industrieautomation machen sich diese Erfahrung und dieses Wissen zunutze.

In diesem Artikel wird kurz auf die Herausforderungen bei der Einführung von IIoT-Technologie eingegangen und erläutert, wie Fortschritte bei offenen Systemen und Hardware für die Fabrikautomatisierung Lösungen bieten. Der Artikel stellt eine Beispielimplementierung von SPS-Hardware und -Software der nächsten Generation von Phoenix Contact vor und zeigt, wie sie die Erfassung von Daten und deren Übermittlung an die Cloud zur Analyse und automatischen Entscheidungsfindung vereinfacht.

Die Bedeutung der SPS

Die Hauptstütze der Fabrik ist die SPS, ein digitales Gerät, das in den späten 1960er Jahren erfunden wurde, um frühere Relaislogiksysteme zu ersetzen. SPSen sind so konzipiert, dass sie in schwierigen Umgebungen viele Jahre lang fehlerfrei arbeiten. Der Schlüssel zu dieser Zuverlässigkeit liegt in der Einfachheit. Für den seltenen Fall, dass doch einmal etwas ausfällt, sind SPSen so konzipiert, dass sie Fehler beheben und Probleme lösen können, damit die Serienproduktion schnell wieder aufgenommen werden kann.

Die Einheiten bestehen aus einem Eingangsmodul (das Daten von digitalen und analogen Eingabegeräten wie Tastaturen, Schaltern, Relais und Sensoren empfängt), einer Stromversorgung, einer programmierbaren CPU mit zugehörigem Speicher und einem Ausgangsmodul, das Informationen an angeschlossene Geräte sendet (Abbildung 1).

Abbildung 1: Robuste und zuverlässige SPSen sind das Rückgrat der Fabrikautomation. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Herkömmliche SPSen werden in einer der fünf in der IEC 61131-3 definierten Sprachen programmiert. Dazu gehören Instruction List (IL, Anweisungsliste), Symbolic Flowchart (SFC, Symbolisches Flussdiagramm), Ladder Diagram (LD, Kontaktplan), Function Block Diagram (FBD, Funktionsblockdiagramm) und Structured Text (ST, Strukturierter Text). Die populärste ist die LD oder Kontaktplanlogik, die Symbole zur Darstellung von Funktionen wie Relais, Schieberegister, Zähler, Zeitgeber und mathematische Operationen verwendet. Die Symbole sind entsprechend der gewünschten Reihenfolge der Ereignisse angeordnet.

Die SPS-Hersteller passen sich schnell an den Fortschritt in der Fabrikautomatisierung an, der durch die Einführung von Industrial Ethernet erzielt wurde. Industrial Ethernet ist IP-interoperabel, die am weitesten verbreitete kabelgebundene Netzwerkoption und wird von vielen Herstellern unterstützt. Industrial Ethernet zeichnet sich durch robuste Hardware und industrielle Standardsoftware aus und ist eine bewährte und ausgereifte Technologie für die Fabrikautomatisierung (Abbildung 2). Ergänzt wird die Hardware durch Industrial-Ethernet-Protokolle, einschließlich Ethernet/IP, Modbus TCP und PROFINET. Sie sind so konzipiert, dass sie ein hohes Maß an Determinismus für industrielle Automatisierungsanwendungen gewährleisten. (Siehe „Design für robuste IoT-Anwendungen mit Strom- und Datennetzen auf Basis von industriellem Ethernet“.)

Abbildung 2: Industrial Ethernet bildet das Kommunikationsrückgrat der modernen Fabrik. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Viele der heutigen SPSen bieten integrierte Ethernet-Vernetzung. Bei älteren Geräten mit Nicht-Ethernet-Schnittstellen wird die Kluft zwischen der Ethernet-Infrastruktur und der SPS durch Gateways überbrückt. (Siehe: „Bestehende Fabrikautomatisierungssysteme ohne Unterbrechung mit Industrie 4.0 verbinden“.)

Die nächste Generation von SPSen

Eine Fabrik mit einer Mischung aus modernen und alten Systemen kann es schwierig machen, die Vorteile von Industrie 4.0 voll auszuschöpfen. Die Erfahrungen aus anderen Bereichen des IoT, wie z. B. dem intelligenten Heim (Smart Home) und der Logistik, zeigen jedoch, dass offene Systeme, kollaborative Plattformen und zugängliche, auf Standards basierende Software die Umsetzung zukunftssicherer intelligenter Lösungen erleichtern.

Die aus diesen anderen Sektoren gewonnenen Erkenntnisse ermutigen die Hersteller von SPSen und zugehörigen Systemen, eine neue Generation von Produkten einzuführen, die wie herkömmliche SPSen funktionieren, ohne durch die Einschränkungen der alten Hardware und Software eingeschränkt zu sein. Ein Beispiel für diese neue Generation ist die Technologie PLCnext Control von Phoenix Contact.

Aus der Software-Perspektive stellt ein Produkt wie der PLCnext-Controller 1069208 von Phoenix Contact einen bedeutenden Schritt in Richtung der offenen Lösungen dar, die andere Bereiche des IoT zu dominieren beginnen. So ist PLCnext beispielsweise mit einer breiten Palette von Software kompatibel, so dass innovative Anwendungen für die Fabrikautomatisierung einfach aus dem Internet heruntergeladen und auf der SPS installiert werden können, ähnlich wie Apps auf einem Smartphone.

PLCnext verwendet das Betriebssystem (OS) Linux. Sie kann weiterhin mit den in IEC 61131-3 definierten Sprachen programmiert werden, aber Linux macht es leicht, die SPS mit den höheren Sprachen C++, C#, Java, Python und Simulink zu programmieren. Diese einfach zu verwendenden Sprachen machen die moderne Fabrikautomation einer viel breiteren Schicht von technischem Personal zugänglich. Darüber hinaus bietet PLCnext ein Task-Handling, das es ermöglicht, Programmroutinen aus verschiedenen Quellen als Legacy-SPS-Code auszuführen, wobei Hochsprachenprogramme automatisch deterministisch werden (Bild 3).

Abbildung 3: PLCnext verfügt über ein Task-Handling, das es ermöglicht, Programmroutinen aus verschiedenen Quellen als Legacy-SPS-Code laufen zu lassen. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Die Vernetzung erfolgt über Industrial-Ethernet-Hardware; das Steuerungssystem läuft unter dem IP-interoperablen PROFINET-Protokoll und nutzt die IoT-Plattform PROFICLOUD zur Unterstützung des Cloud-Computing. Die SPS unterstützt auch andere offene Standardprotokolle wie http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL und DCP.

Die Hardware basiert auf einem Atom-Mikroprozessor von Intel, der mit 1,3 Gigahertz (GHz) läuft. Die SPS verfügt über 1 Gigabyte (GByte) Flash-Speicher und 2048 Megabyte (MByte) RAM. Das IEC61131-Laufzeitsystem verfügt über 12 MByte Programmspeicher und 32 MByte Datenspeicher. Die Einheit kann bis zu 63 lokale Busgeräte unterstützen und benötigt eine 24-Volt-Versorgung mit einer maximalen Stromaufnahme von 504 Milliampere (mA) (Abbildung 4).

Abbildung 4: PLCnext-SPSen verwenden das Betriebssystem Linux und unterstützen die in der IEC 61131-3 definierten Legacy-Sprachen sowie höhere Sprachen. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Das PLCnext-Sortiment von Phoenix Contact umfasst SPSen und andere kritische Elemente eines industriellen Automatisierungssystems, wie Kommunikationsmodule und verwaltete Switches. Konkrete Beispiele sind das Kommunikationsmodul 2403115 und der gemanagte NAT-Switch (Network Address Translation) 2702981. Das Kommunikationsmodul erweitert die SPS um eine zusätzliche gigabitfähige Industrial-Ethernet-Schnittstelle. Das Modul hat eine eigene MAC-Adresse, bietet PROFINET-Unterstützung und verfügt über eine galvanische Trennung zwischen der Ethernet-Schnittstelle und der Logik.

Der gemanagte Switch dient zur Speicherung und Weiterleitung von über Ethernet übertragenen Informationen und verfügt über vier Ethernet-RJ45-Ports, zwei SFP-Ports (Small Form Factor Pluggable) und zwei kombinierte Ports (RJ45/SFP). Der Switch ist ein PROFINET-konformes Produkt der Klasse B.

Verbesserung der Entscheidungsfindung in der Fabrik

Die Optimierung der Fabrikproduktion ist von entscheidender Bedeutung, da die Fertigung Präzision und Wiederholbarkeit erfordert. Der Schlüssel zur Gewährleistung eines hohen Maßes an Präzision und Wiederholbarkeit ist die Prozesskontrolle. In modernen Fabriken können IIoT-Sensoren und -Kameras Maschinen überwachen und fertige Komponenten überprüfen, um kleine Abweichungen im Produkt zu erkennen und den Prozess entsprechend zu korrigieren. Andere Sensoren überwachen den Zustand von Maschinen, um den Wartungsbedarf vorherzusagen, bevor eine abgenutzte Maschine ausfällt. Noch mehr Sensoren überwachen die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und die Luftqualität in der Fabrik.

Ein wesentliches Merkmal von PLCnext Control ist, dass es im Gegensatz zu herkömmlichen SPSen auf diese Fabrikdaten zugreifen kann. Laut Phoenix Contact reicht es aus, die SPS an nur 3 bis 5 % der analogen und digitalen Ein- und Ausgänge (I/Os) der Anlage anzuschließen, um die Fertigungsprozesse umfassend und ohne nennenswerte Eingriffe abbilden zu können.

PLCnext Control kann sich dann mit jedem Cloud-Service verbinden, einschließlich Proficloud.io von Phoenix Contact, AWS von Amazon oder Azure von Microsoft. Dadurch erhält das Fabriksystem Zugang zu leistungsstarken Rechenressourcen, um sicherzustellen, dass die Betriebsführungs- und Wartungsprozesse so effizient wie möglich ablaufen. Das Ergebnis ist eine höhere Produktivität, bessere Produktqualität und niedrigere Kosten.

Erste Schritte mit PLCnext

Die Arbeit mit PLCnext-Steuerungen und verwandten Komponenten ist relativ einfach. Um den Einstieg in ein SPS-Programmierprojekt zu erleichtern, hat Phoenix Contact das „PLCnext Technology Starter Kit“ 1188165 eingeführt. Das Kit besteht aus einem PLCnext-Steuerungsmodul (die SPS) 2404267, einem Modulträger und einer Auswahl an analogen oder digitalen Modulen.

Um das Starterkit zu verwenden, müssen die SPS und die analogen/digitalen Moduleinheiten zunächst an die 24-Volt-Gleichstromversorgung (VDC) angeschlossen werden. Als nächstes wird ein Ethernet-Kabel zwischen der SPS und dem PC angeschlossen und die IP-Adresse des PCs wird eingestellt. Anschließend wird die IP-Adresse der SPS in ein Browserfenster auf dem PC eingegeben. Die SPS wird betriebsbereit, nachdem die Anmeldung über Benutzernamen und Passwort erfolgt ist. Weitere Anweisungen werden über das webbasierte Verwaltungssystem bereitgestellt. Die Programmierung der SPS erfolgt mit der Software PLCnext Engineer. Mit der Software kann eine komplette Automatisierungslösung konfiguriert, diagnostiziert und visualisiert werden.

PLCnext Engineer ermöglicht die Programmierung und Konfiguration mit den in der IEC 61131-3 definierten Legacy-Sprachen. Es kann aber auch über höhere Sprachen wie C++ und C# programmiert werden. Neben PLCnext Engineer kann der Code auch in anderen gängigen integrierten Entwicklungsumgebungen (IDEs) wie Eclipse oder Microsoft Visual Studio erstellt werden. Die Software kann dann als Bibliothek in PLCnext Engineer importiert und mit jeder kompatiblen SPS verwendet werden (Abbildung 5).

Abbildung 5: PLCnext-SPSen können mit Legacy-Sprachen aus PLCnext Engineer, mit höheren Sprachen aus IDEs oder aus modellbasierten Designsystemen programmiert werden. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Ein wesentlicher Vorteil der PLCnext-Technologie besteht darin, dass mehrere Entwicklungsteams unabhängig voneinander und parallel an einem einzigen SPS-Programm arbeiten können, auch wenn sie unterschiedliche Programmiersprachen verwenden. Dies ermöglicht eine schnelle Entwicklung komplexer Anwendungen und erlaubt es Entwicklungsteams mit Kenntnissen in Altsprachen und solchen mit Kenntnissen in höheren Sprachen, ihre Talente zu kombinieren.

Fazit

Das IIoT verspricht, die Fabrik zu verändern. Doch während moderne Technologien wie Industrial Ethernet installiert werden, wird das volle Potenzial der Fabrikautomation durch herkömmliche SPSen mit begrenzter Vernetzung und veralteter Software gebremst. Die PLCnext-Technologie von Phoenix Contact basiert auf offenen Systemen, kollaborativen Plattformen und zugänglicher Software. Sie kann Routinen, die in älteren Sprachen kodiert sind, mit solchen, die in höheren Sprachen geschrieben sind, kombinieren, um die industrielle Automatisierung für zukunftssichere Lösungen mit verbesserter Produktivität, höheren Erträgen, besserer Produktqualität und geringeren Kosten zu öffnen.