Neue SPSen beschleunigen die Einführung komplexer und kritischer Automatisierungsprozesse

Es wurden neue speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) auf den Markt gebracht, die moderne Funktionen mit der Flexibilität kombinieren, komplexe kritische Infrastrukturen und Automatisierungsprozesse schnell zu entwickeln und einzusetzen.

Das ist eine wichtige Entwicklung für verschiedene Anwendungen, von erneuerbaren Energien und Microgrid-Steuerungen bis hin zu Industrie 4.0, dem industriellen Internet der Dinge (IIoT) (selbst in kleinen Fabriken), Öl und Gas, Maschinendesign und Prozessanlagenautomatisierung in der Flaschenabfüllung, Verpackung, Textilindustrie und ähnlichen Anwendungen.

Um die besten Lösungen anbieten zu können, wird die neueste Technologie benötigt. Diese SPSen verfügen über einen Dual-Core-64-Bit-Prozessor, der auch die anspruchsvollsten Automatisierungsanforderungen erfüllt. Das Linux-Betriebssystem ist ein Plus, und der Code ist portabel und interoperabel mit IEC61131-3-konformen Systemen. Eine vereinfachte Konfiguration wird durch ein webbasiertes Verwaltungssystem ermöglicht.

Erforderlich sind auch eine Auswahl an Kommunikationsschnittstellen, Unterstützung für mehrere Feldbusprotokolle, IIoT-Vernetzung, Cloud-Vernetzung, Energiemanagementsoftware und umfassende Sicherheitstools, die die erforderliche Flexibilität für eine Reihe kritischer Entwicklungs- und Integrationsszenarien bieten.

Vorstellung der PFC300

Wago hat die SPS PFC300 auf den Markt gebracht, um die Implementierung komplexer und kritischer Automatisierungsprozesse zu beschleunigen. Diese Einführung beginnt mit den Merkmalen und Vorteilen der PFC300 und schließt mit Beispielen, wie sie in intelligente Fabrik- und Microgrid-Installationen passt.

Das modulare Design der PFC300 kann schnell angepasst werden, um wechselnde Bedürfnisse und zukünftige Anforderungen in komplexen und kritischen Industrie-4.0-Fabriken, Microgrids und der Gebäudeautomatisierung zu unterstützen. Es können verschiedene analoge, digitale und spezielle Eingangs-/Ausgangsmodule (I/O) für spezifische Automatisierungsanforderungen ausgewählt werden. Das System kann auch durch Hinzufügen oder Entfernen von I/O-Modulen in seiner Komplexität erhöht oder verringert werden.

Diese SPSen sind umweltfreundlich und robust, so dass sie in anspruchsvollen Umgebungen installiert werden können. Sie sind für den Betrieb von -25°C bis +60°C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von bis zu 95% (RH, nicht kondensierend) ausgelegt und entsprechen dem Verschmutzungsschutzgrad 2 gemäß IEC 61131-2.

Sie haben eine Vibrationsfestigkeit von bis zu 4 g gemäß IEC 60068-2-6 und eine Schockfestigkeit von 15 g gemäß IEC 60068-2-27. Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) umfasst die Störfestigkeit gemäß EN 61000-6-2 und die Emissionen gemäß EN 61000-6-3. Sie können Schadstoffbelastungen gemäß IEC 60068-2-42 und 60068-2-43 standhalten.

Abbildung 1: Die PFC300 ist modular, skalierbar und robust gegenüber Umwelteinflüssen (Bildquelle: Wago)

Feldbusse und Edge-Vernetzung

Die breite Palette an Feldbussen, EtherNet-Protokollen und Fernwirkprotokollen, die die PFC300 unterstützt, vereinfacht die Aufgaben beim Aufbau von Steuerungsnetzwerken für kritische und komplexe Automatisierungsprozesse.

Zu den integrierten Feldbussen gehören Modbus TCP Master/Slave, Modbus (UDP), Modbus (RTU), EtherNet/IP Adapter (Slave), EtherNet/IP Scanner, EtherCAT Master, PROFINET Controller (eingeschränkt), OPC UA Server/Client und OPC UA Pub/Sub (kann installiert werden).

Es besteht auch die Möglichkeit, Fernwirkprotokolle wie DNP3, das für SCADA-Systeme in kritischen Infrastrukturen verwendet wird, IEC 60870 und IEC 61850, die beide für die Automatisierung von elektrischen Umspannwerken verwendet werden, oder BACnet, das in der Gebäudeautomatisierung weit verbreitet ist, zu lizenzieren.

Der 9-polige D-Sub-RS485-Anschluss an der Frontplatte wird für CANopen, Modbus RTU und andere serielle Kommunikationsprotokolle verwendet. Der USB-C-Anschluss hinter der Serviceschnittstelle bietet direkten Zugang für die Programmierung, Konfiguration und Firmware-Updates. Die zwei RJ-45-Gigabit-Ethernet-Ports und ein integrierter Switch unterstützen die Verkabelung in Linientopologie.

Zusätzlich zu den Kommunikationsschnittstellen und dem Zugang zum USB-C-Anschluss befinden sich auf der Vorderseite der PFC300 ein Anschluss für eine SD-Karte, Statusleuchten und Stromanschlüsse (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Vorderseite der PFC300 umfasst Kommunikationsschnittstellen, Statusanzeigen, Stromanschlüsse und andere Zugangspunkte. (Bildquelle: Wago)

Vernetzung mit der Cloud

Cloud-Vernetzung ist erforderlich, wenn komplexe kritische Infrastrukturen und Automatisierungsprozesse entwickelt und bereitgestellt werden. Die SPS PFC300 nutzt das MQTT-Protokoll (Message Queuing Telemetry Transport) für sichere und effiziente Cloud-Verbindungen.

Das ermöglicht auch die Nutzung verschiedener Cloud-Services wie Microsoft Azure, Amazon Web Services (AWS), IBM Cloud, SAP Cloud und die Wago Cloud. Die Wago-Cloud bietet eine einfache und intuitive Lösung zur Verwaltung von Maschinendaten und zur Visualisierung von Trends und Grafiken ohne umfangreiche Programmierunterstützung.

Die Datenübertragung erfolgt verschlüsselt mittels TLS (Transport Layer Security), und die Cloud-Verbindungsdaten können über das webbasierte Management-System (WBM) von Wago konfiguriert werden. Mit dem WBM kann der Benutzer die PFC300 und die dezentralen I/O-Module über eine Webbrowser-Schnittstelle überwachen, konfigurieren und steuern, was einen einfachen Zugriff und eine einfache Verwaltung ohne lokale Softwareinstallation ermöglicht. Das WBM ermöglicht die Auswahl, welche Daten in die Cloud übertragen und welche lokal verarbeitet werden sollen.

Um die Cloud-Vernetzung weiter zu vereinfachen, können die Bibliotheken von Wago für CODESYS 2.3 auf Basis von IEC 61131-3 und e! COCKPIT verwendet werden. e! COCKPIT ist die integrierte Entwicklungsumgebung von Wago, die alle Automatisierungsaufgaben von der Hardwarekonfiguration und Programmierung bis hin zur Simulation, Visualisierung und Inbetriebnahme unterstützt und für den Einsatz mit Wago-SPSen wie der PFC300 optimiert ist.

Standardisierung beschleunigt die Entwicklung

Wago bietet mehrere Möglichkeiten zur Entwicklung von Software für die PFC300. Dazu gehören High-Level-Programmiersprachen wie C und C++ für die Systemintegration und die Plattform CODESYS V3.5, die die Standardprogrammiersprachen der IEC61131-3 für Steuerungen unterstützt, darunter Structured Text (ST), Function Block Diagram (FBD), Ladder Diagram (LD), Instruction List (IL), Sequential Function Chart (SFC) und Function Chart (CFC).

Das Wago-Betriebssystem (OS) in den Steuerungen der PFC-Familie, einschließlich der neuen PFC300, basiert auf Echtzeit-Linux und ermöglicht flexible und leistungsfähige Automatisierungslösungen. Zusätzlich zur Unterstützung von C und C++ können Programme in jeder von Linux unterstützten Sprache erstellt und direkt auf dem Controller ausgeführt werden.

Dieselbe CODESYS-Software, die alle Standardprogrammiersprachen der IEC61131-3 unterstützt, ermöglicht auch die Erstellung von Web-Visualisierungen, so dass Maschinenbediener und Wartungspersonal über einen Webbrowser auf einem Tablet-Computer oder PC auf die Maschine zugreifen können.

Erweiterbarer Speicher

Die PFC300 verfügt außerdem über einen Speicherkartensteckplatz mit Druck-Auswurfmechanismus und einer verschließbaren Abdeckung. Sie kann die Formate SD, SDHC und SDXC verarbeiten (alle zugesicherten Eigenschaften gelten nur für Wago-Speicherkarten). Die Karten sind vielseitig einsetzbar und bieten mehrere Verwendungsmöglichkeiten:

• Allgemeine Datenspeicherung
• Firmware-Updates über eine bootfähige SD-Karte, die beim Hochfahren der PFC300 automatisch die Aktualisierung einleitet
• Speichern großer Bilder zur Verwendung in Webvisualisierungsanwendungen
• Sicherung des SPS-Images zur Speicherung oder zur Übertragung von Gerätedateien und Parametern von einer Steuerung auf eine andere, um den Einsatz zu beschleunigen
• Fernzugriff auf die Speicherkarte per FTP

Mehrschichtige Sicherheitstools

Die Bereitstellung komplexer kritischer Infrastrukturen und Automatisierungsprozesse erfordert ein Höchstmaß an Sicherheit. Der PFC300-Controller bietet die erforderlichen mehrschichtigen Sicherheitstools.

Er unterstützt virtuelle private Netzwerke (VPNs) für eine sichere Kommunikation, die zum Schutz der Daten eine TLS-Verschlüsselung (Transport Layer Security) verwendet. Die integrierte Firewall schützt vor unberechtigtem Zugriff.

Das WBM ist mit HTML5 implementiert, gesichert durch TLS 1.3, und die PFC300 unterstützt sichere Protokolle wie SNMP v3, SFTP, FTPS, HTTPS und SSH, um einen sicheren Datenaustausch zu gewährleisten. Der USB-C-Anschluss gewährleistet einen sicheren Zugang für Updates, und Feldbusprotokolle sorgen für eine sichere Kommunikation mit angeschlossenen Geräten.

Industrie 4.0 und intelligente Fabriken

PFC300-SPSen bieten umfassende Feldbuskonnektivität, Echtzeitdatenfunktionen sowie IIoT- und Cloud-Integration und ermöglichen eine flexible Fertigung, optimierte Prozesse und vorausschauende Wartung. Dies sind die Kennzeichen der intelligenten Fabriken in der Industrie 4.0. In komplexen und kritischen industriellen Prozessen können Automatisierungsinseln beseitigt und der Energieverbrauch optimiert werden.

Die PFC300-SPSen können mit der EDM-Software (Energy Data Management) von Wago kombiniert werden, um die Ressourcen zu optimieren und die Energieüberwachung von einzelnen Geräten in der Fabrikhalle bis hin zur Erfassung von anlagenweiten Daten in der Edge-Umgebung und deren Weiterleitung an die Cloud zur tieferen Analyse zu ermöglichen (Abbildung 3).

• EDM bietet Echtzeit-Überwachung und Feedback zum Energieverbrauch, um die Effizienz zu maximieren und eine proaktive Wartung zu ermöglichen.
• Die breit angelegte Integration und die flexiblen Kommunikationsoptionen ermöglichen eine nahtlose Datenintegration über Geräte und das gesamte Fabriknetzwerk hinweg.
• Visualisierungstools machen die Daten leicht zugänglich und beschleunigen die Analyse.

Abbildung 3: Die PFC300 verfügt über alle Funktionen, die für die Industrie-4.0-Automatisierung vom Feld bis zur Cloud erforderlich sind. (Bildquelle: Wago)

EDM ist eine webbasierte Anwendung, mit der Benutzer den Energieverbrauch ohne Programmierung überwachen, analysieren und in Berichten darstellen können. Es kann automatisch mit Energiezählern und Sensoren verbunden werden, um Daten für zukünftige Analysen zu sammeln, zusammenzustellen und zu speichern.

Die Daten können als Liniendiagramme wie Zeitreihen oder Balkendiagramme dargestellt und als CSV-Dateien (Comma-Separated Values) exportiert werden, die mit einer Vielzahl von Analysesoftwarepaketen kompatibel sind. Die EDM-Software und die zugehörigen Hardwarekomponenten wie Messgeräte und Sensoren sind modular und skalierbar und können schnell an veränderte Ausrüstungen und Infrastrukturen in einer Industrieanlage angepasst werden.

EDM-Software ermöglicht es Gebäudetechnikern, die besten Möglichkeiten zur Verbesserung des Energieverbrauchs und zur Umsetzung von Energiesparprogrammen zu ermitteln. Das System kann auch Grenzwerte für den Energieverbrauch festlegen und bei Überschreitung dieser Grenzwerte Warnungen senden. Die Daten aus der EDM-Software sind ein wichtiges Element des gesamten Energiemanagements in komplexen Industrie-4.0-Anlagen und kritischen Infrastrukturen wie Microgrids.

Microgrids und Energiemanagement

Mikronetze und umfassende Energiemanagementsysteme werden zur Förderung der Nachhaltigkeit immer wichtiger. Die PFC300-SPSen bieten leistungsstarke Tools, die sich gut für kritische grüne Energieinfrastrukturen eignen, einschließlich Gebäudeautomatisierung, Microgrid-Unterstationen, Energiedatenmanagement, Lastmanagement für das Laden von Elektrofahrzeugen und andere grüne Energieanwendungen (Abbildung 4).

• Diese SPSen können Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC) in Gebäuden steuern und die lokale Energieerzeugung, -speicherung und -nutzung überwachen.
• Sie können Energieverbrauchsmuster aufzeichnen und analysieren, um die verfügbaren Energieressourcen im gesamten Mikronetz zu optimieren - von der Unterstation, die das Mikronetz mit dem Versorgungsnetz verbindet, bis hin zu bestimmten Laststandorten wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge oder Gebäuden.

Abbildung 4: Mit der PFC300 unterstützte Mikronetze können die Nachhaltigkeit und die Energiesicherheit verbessern. (Bildquelle: Wago)

Dynamisches Lastmanagement kann mit der ALM-Software (Application Load Management) von Wago implementiert werden, um das Laden von Elektrofahrzeugen, erneuerbare Energiequellen wie Photovoltaik, Energiespeichersysteme und Netzstrom zu integrieren. ALM kann beispielsweise zur Regelung der Gesamtladeleistung an einem Netzanschlusspunkt, z. B. einer Kundenunterstation, eingesetzt werden, um Lastspitzen und -täler abzufedern und Netzüberlastungen zu verhindern.

Die Software kann die Ladelasten für Elektrofahrzeuge dynamisch verteilen, basierend auf der Anzahl der Fahrzeuge, den Ladeprioritäten, der Tageszeit, der verfügbaren Netzkapazität und anderen Faktoren. Sie kann so konfiguriert werden, dass die Nutzung lokaler Stromerzeugungs- und -speicherressourcen während der Spitzenlastzeiten des Stromversorgers priorisiert wird, um die Gebühren für hohe Nachfrage zu senken.

Die PFC300 kann Energieverbrauchsdaten aufzeichnen und analysieren. Ihr webbasiertes Managementsystem und die Unterstützung von IIoT-Kommunikationsprotokollen ermöglichen die Datenvisualisierung und Überwachung des Energieverbrauchs vor Ort und aus der Ferne.

Fazit

Die umweltfreundliche und robuste SPS PFC300 verfügt über alle Funktionen, um komplexe kritische Infrastrukturen und Automatisierungsprozesse schnell zu entwickeln und einzusetzen. Ihr modulares und erweiterbares Design bietet Flexibilität für eine Vielzahl von Anwendungsszenarien. Umfassende, sichere Kommunikationsoptionen unterstützen die Vernetzung von der Fabrikhalle bis zur Cloud.

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