Einsatz kompakter SPSen für herausragende Ergebnisse in den Bereichen grüne Energie, Gebäudeautomation und industrielle Systeme

Entwickler von Industrienetzwerken stehen unter dem Druck, herkömmliche speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und Technologien für das industrielle Internet der Dinge (IIoT) auf engem Raum zu integrieren, um eine hohe Leistung in kleineren Automatisierungs- und Digitalisierungsprojekten zu unterstützen.

Der Controller muss kompakt sein, aber dennoch in der Lage, die traditionelle Automatisierung mit dem IIoT zu verbinden und Netzwerke der Informationstechnologie (IT) und der Betriebstechnologie (OT) zu integrieren. Er benötigt einen leistungsstarken Dual-Core-Prozessor, einen microSD-Kartensteckplatz und mindestens 18 analoge und digitale I/O-Kanäle.

Um die Flexibilität zu maximieren, sollten die I/Os einen seriellen RS-485-Anschluss und einen USB-C-Anschluss für eine direkte Konfigurationsverbindung umfassen. Einige Anwendungen profitieren von einer optionalen CANopen-Kommunikationsschnittstelle. Um die OT- und IT-Integration zu unterstützen, muss er über zwei Ethernet-Anschlüsse verfügen, die zwei eindeutige IP-Adressen unterstützen, eine für Geräte auf Feldebene und die zweite für SCADA- oder Cloud-Vernetzung.

Um den Einsatz zu beschleunigen, sollte die integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) von CODESYS 3.5 unterstützt werden, mit der die Benutzer Automatisierungsprojekte und -systeme schnell erstellen können. Die Unterstützung von Docker-Containern bei der Ausführung von Open-Source-Anwendungen kann die Flexibilität weiter erhöhen und die Bereitstellung beschleunigen.

In diesem Artikel werden die zahlreichen Möglichkeiten der Serie Compact Controller 100 von WAGO vorgestellt. Er zeigt, wie diese Controller die schnelle Entwicklung und den Einsatz hochleistungsfähiger Automatisierungslösungen für verschiedene Anwendungen wie Gebäudeautomatisierung, Batteriespeicherung, Microgrids, Industriemaschinen, grüne Energiesysteme und vieles mehr ermöglichen.

Die SPSen der Serie „Compact Controller 100“ (CC100) messen nur 55 mm (L) x 108 mm (B) x 90 mm (H) und passen in eine Handfläche. Die geringen Abmessungen täuschen deutlich über ihr großes Potenzial für die Digitalisierung einer Vielzahl von Automatisierungsfunktionen hinweg.

Benötigt die Anwendung bis zu vier digitale Ausgänge, acht digitale Eingänge und bis zu zwei analoge Eingänge und zwei analoge Ausgänge, eine RS-485-Schnittstelle für Protokolle wie Modbus RTU und Temperatureingänge für Platin(Pt)- oder Nickel(Ni)-Widerstandssensoren? Das Modell 751-9301 hat sie. Wenn die Anwendung auch einen CANopen-Anschluss benötigt, können Entwickler das Modell 751-9401 verwenden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das CC100-Modell 751-9401 verfügt über die gleiche Mischung an I/Os wie das Modell 751-9301 und zusätzlich über eine CANopen-Schnittstelle (rechte Ecke). (Bildquelle: WAGO)

Kann die Anwendung von zwei konfigurierbaren Ethernet-Ports profitieren, die als Switch oder für zwei separate IP-Adressen verwendet werden können und eine dedizierte Verbindung zu Feld- und OT-Geräten sowie eine separate Verbindung zu SCADA-, IT- oder Cloud-Systemen unterstützen? Und gibt es Unterstützung für industrielle Ethernet-Protokolle wie Modbus TCP/UDP, EtherNet/IP und EtherCAT sowie Unterstützung für IIoT und Cloud-Vernetzung mit Protokollen wie MQTT?

Sind Cybersicherheitsfunktionen wie SSH, SSL/TLS-Verschlüsselung, eine Firewall und ein Netzwerk-Broadcast-Schutz für die Sicherung des Netzwerks unerlässlich? Die beiden Modelle der CC100-Serie bieten all das und noch mehr.

Zusätzlich zu diesen wichtigen Merkmalen und Fähigkeiten bieten die CC100-SPSen einen USB-Programmieranschluss, der die Konfiguration vereinfacht und beschleunigt, sowie einen Micro-SD-Kartensteckplatz für Firmware-Updates und andere Funktionen. Als Hutschienen-Geräte (nach DIN 43880) können beide Modelle auch schnell auf Kleinverteilern montiert werden.

Programmierung und Leistung

Um eine Basisinstallation zu vervollständigen, müssen diese SPSen programmiert und mit Strom versorgt werden. Auch hier bietet die CC100-Serie große Performance und Möglichkeiten. Sie kann mit CODESYS 3.5 in einer oder mehreren der IEC 61131-3-Sprachen wie Kontaktplan (KOP), Funktionsplan (FUP), Ablaufsprache (SFC), Strukturierter Text (ST) und Anweisungsliste (IL) oder mit Optionen wie Node-RED, C++ und Python programmiert werden.

Die CC100-Serie unterstützt Docker-Container und ermöglicht so die Ausführung zusätzlicher Anwendungen und die Erweiterung ihrer Funktionalität. Der integrierte Webserver ermöglicht die Erstellung von HTML5-Visualisierungen und erleichtert die Bedienung und Wartung.

Diese SPSen können mit Protokollen, einschließlich DNP3, aktiviert werden, die in Strom- und Wasserversorgungsunternehmen zur Überwachung und Steuerung entfernter Geräte in SCADA-Systemen verwendet werden. IEC61850 und IEC60870 werden häufig in Umspannwerken, bei der Automatisierung von Mikronetzen sowie bei Systemen für erneuerbare Energien und Speicher eingesetzt. Außerdem unterstützen sie die BACnet-Kommunikation für Gebäudeautomationsanwendungen.

Das Netzteil 787-2850 von WAGO liefert 1,25 A bei 24 V_DC und ist die ideale Stromquelle für die SPSen der CC100-Serie, da es auch in kompakte Installationen passt (Abbildung 2). Es verfügt über eine galvanisch getrennte Ausgangsspannung, die die Anforderungen der Normen EN 61010-2-201/UL 61010-2-201 für Sicherheitskleinspannung (SELV) und Schutzkleinspannung (PELV) erfüllt, sowie eine beeindruckende MTBF (durchschnittliche Zeit zwischen Ausfällen) von über 2,5 Millionen Stunden bei +40 °C (gemäß EN/IEC 61709).

Abbildung 2: Das Netzteil 787-2850 ist gut auf die Bedürfnisse der CC100-SPSen abgestimmt. (Bildquelle: WAGO)

Weitreichende Möglichkeiten

Die integrierten I/Os der CC100-Serie bilden eine solide Grundlage für die Implementierung von Automatisierungslösungen. Die I/O-Kapazität kann durch Kombinationen von I/O-Modulen der Serie 750 (über 500 sind verfügbar) und I/O-Kopplern erweitert werden.

Beispielsweise kann das I/O-Modul 750-1506 verwendet werden, um acht digitale Eingänge und acht digitale Ausgänge zu den CC100-SPSen hinzuzufügen. Verschiedene 750-Koppler können hinzugefügt werden, um die erforderliche Feldbusanbindung zu gewährleisten. Der Koppler wird über ein Ethernet-Kabel an den CC100 angeschlossen und dient als Brücke, die den CC100 mit verschiedenen Feldbussen verbindet.

Der 750-348 ist beispielsweise ein CANopen-Feldbuskoppler, der zur Erweiterung der I/O-Kapazität des CC100 verwendet wird, indem er das modulare I/O-System der WAGO-Serie 750 mit einem CANopen-Netzwerk verbindet (Abbildung 3). Der Koppler 750-362 unterstützt die Verbindung mit einem Modbus-Netzwerk. Weitere Koppler sind für EtherNet/IP oder EtherCAT als Master verfügbar.

Abbildung 3: Der 750-348 ist ein CANopen-Feldbuskoppler. (Bildquelle: WAGO)

Sobald ein Koppler angeschlossen ist, ist es eine einfache Angelegenheit, die CODESYS 3.5 Software zur Programmierung der SPS zu verwenden. Die Steuerung kommuniziert dann über den Koppler mit den I/O-Modulen, um alle I/O-Punkte zu verwalten. Die verschiedenen Koppler erkennen automatisch alle angeschlossenen I/Os.

Der 750-362 ist zum Beispiel ein Modbus-TCP/UDP-Feldbuskoppler der vierten Generation. Er übersetzt die Signale von angeschlossenen I/O-Modulen (digital, analog usw.), damit diese über ein Modbus TCP/UDP-Netzwerk kommunizieren können. Er verfügt über zwei 10/100-Mbit/s-Ethernet-Ports zur Unterstützung einer Daisy-Chain-Topologie, einen integrierten DIP-Schalter zur Einstellung der IP-Adresse und einen integrierten Webserver zur Konfiguration und Verwaltung.

Einfache und leistungsstarke Netzwerkverwaltung

Der CC100 ist kompatibel mit der WAGO-Software für webbasiertes Management (WBM), die eine Benutzeroberfläche für Konfiguration, Betrieb und Wartung über einen Webbrowser mit Hilfe des im CC100 integrierten Webservers und einer Ethernet-Verbindung bietet.

Benutzer können HTML5-Visualisierungen entwickeln und ausführen und den sicheren Zugriff mit Funktionen wie einer integrierten Firewall, TLS-Verschlüsselung (Transport Layer Security) und VPN-Funktionen (Virtual Private Network) verwalten, um sich vor Cyberangriffen zu schützen.

Die HTML5-Visualisierungen werden auf dem CC100 gehostet und können mit den meisten Webbrowsern aus der Ferne betrachtet werden. Grundlegende Informationen, wie z. B. der Status des Controllers sowie System-, Netzwerk- und I/O-Zustände, können lokal auf dem Controller über integrierte LED-Arrays angezeigt werden.

WBM kann auch das Netzwerkdatenmanagement unterstützen, indem es die Übertragung von Daten an Cloud-Lösungen erleichtert oder Protokolle wie MQTT zur Verteilung von Daten an andere Systeme nutzt. Die Konfiguration für die Cloud-Verbindung selbst (wie die URL des Cloud-Anbieters, Sicherheitszertifikate und Authentifizierungsdetails) kann über die WBM-Schnittstelle des Controllers eingerichtet werden.

Cloud-Vernetzung

Mit Cloud-Vernetzung kann der CC100 als Gateway für IIoT-Anwendungen dienen. Die Kommunikationsparameter werden im WBM konfiguriert, und die zwischen Cloud und Controller auszutauschenden Daten werden mit der WAGOAppCloud-Bibliothek für CODESYS konfiguriert, die Aufgaben wie Konfigurationsdetails übernehmen kann.

Der CC100 kann über die eingebaute Ethernet-Schnittstelle auf das Internet zugreifen und die Daten in die Cloud senden. Die Benutzer können den zu verwendenden Cloud-Dienst angeben, wobei Microsoft Azure, Amazon Web Services und IBM Cloud zur Auswahl stehen (Abbildung 4).

Abbildung 4: CC100-SPSen können über das MQTT-Protokoll und eine Ethernet-Verbindung die Cloud erreichen. (Bildquelle: WAGO)

Es stehen Funktionsblöcke und Bibliotheken zur Verfügung, die die komplexen Kommunikationsprozesse (wie den Aufbau einer sicheren Verbindung, die Formatierung von Daten in das JavaScript Object Notation (JSON)-Format und die Handhabung der Datenübertragung) in einfachen, wiederverwendbaren Code abstrahieren, der aus einem Standard-IEC-Programm heraus aufgerufen werden kann.

Mit der IEC-Applikation kann der Anwender auch auswählen, welche Steuerungsvariablen, wie Sensorwerte oder Maschinenstatus, an die Cloud gesendet werden sollen. Die Benutzer können den Datenfluss steuern und entscheiden, wann und wie Daten gesendet werden, z. B. ereignisgesteuerte Übertragungen oder periodische Übertragungen. Die Anwendung kann auch eine Vorverarbeitung der Daten auf dem CC100 implementieren, wodurch die erforderliche Bandbreite für die Cloud-Vernetzung reduziert wird.

Fazit

Die winzige Größe der CC100-Controller von WAGO täuscht darüber hinweg, dass sie in kleineren Automatisierungs- und Digitalisierungsprojekten für eine Reihe von Anwendungen wie Gebäudeautomatisierung, grüne Energie, Microgrids, Strom- und Wasserversorgung sowie Industrieanlagen große Leistungen erbringen können. Dank ihrer Erweiterbarkeit können sie mit den sich ändernden Anforderungen wachsen und sich anpassen. Ihre Netzwerkmanagement- und Cloud-Netzwerkfähigkeiten bieten eine starke Unterstützung für die Integration von IT- und OT-Systemen.

Empfohlene Lektüre:

1. Einsatz von Energiespeichersystemen zur Optimierung der Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit von Rechenzentren
2. Optimierung des Kabelmanagements zur Gewährleistung von Sicherheit und Effizienz in PV-Anlagen für die Versorgung im großen Maßstab
3. Einsatz von Mikronetzen und DERs zur Maximierung von Nachhaltigkeit und Widerstandsfähigkeit in Industrie- und Gewerbeanlagen
4. Neue SPSen beschleunigen die Einführung komplexer und kritischer Automatisierungsprozesse
5. Schnelle Anbindung von IoT-Knoten an die Cloud-Dienste Amazon AWS und Microsoft Azure